Officerarna sade att de tyckte synd om migranterna, som hittades i en lastbil i Belgien, och erbjöd sig att ge dem skjuts till gränsen.
Men de förirrade sig till Frankrike, där de arresterades och förhördes.
Händelsen utlöste ett diplomatiskt spott, då Frankrikes inrikesminister sammankallade den belgiske ambassadören.
Bernard Cazeneuve hade ett "friska och tydliga" möte med den belgiska ambassadören, enligt franska tjänstemän, och uttryckte sin oro över vad som hade hänt.
Frankrike fördömde starkt officerarnas agerande som "inte överensstämmer med den normala arbetspraxis som Frankrike och Belgien kommit överens om".
Men det blev en överraskning över den franska reaktionen från Georges Aeck, Ypres polischef, på grund av de två ländernas vanliga nära gränssamarbete.
"Vi gjorde det inte för pengar, det är inte människohandel", sa han till belgiska TV-bolaget RTBF. "Vi hjälpte dem bara. Vi tog dem en bit i den riktning de ville gå,"
Den bisarra händelsekedjan började på tisdagskvällen, då den franska polisen i en omärkt bil stoppade den belgiska polisbilen med de 13 migranterna, däribland tre minderåriga, på den franska sidan av gränsen i Nieppe, nordväst om Lille.
Invandrarna hade upptäckts tidigare på dagen och beordrats att lämna landet.
Men när officerarna såg dem gå till fots mot gränsen, erbjöd de dem en hiss och av misstag förirrade sig till Frankrike nära Nieppe.
De två officerarna var handfängslade, trots att de identifierade sig, sade den belgiska polisföreningen.
Vincent Gilles, ordförande för det belgiska polisförbundet, klagade över att officerarna hade behandlats som "brottsmisstänkta" och hållits i fyra timmar utan tillgång till en advokat.
Aeck tillade: " Det är första gången som detta har hänt, eftersom vi har ett gott förhållande till våra franska kolleger. Ibland organiserar vi kontrollsystemet tillsammans vid gränsen. Vi är lite överraskade.
"De belgiska officerarna tog migranterna i sin van eftersom de inte ville låta dem gå till fots direkt längs vägen till gränsen. De eskorterade migranterna till gränsen, i den riktning de ville gå."
Migranterna själva fördes sedan till en polisstation i den franska staden Lille, där tre minderåriga placerades i lokala myndigheters vård och de vuxna tillfälligt fängslades för att bedöma deras status.
De tillfälliga gränskontrollerna infördes av Belgien några månader tidigare i år, bland annat i fråga om den föreslagna rivningen av lägret Calais "Jungle" skulle sända en tillströmning av migranter norrut.
Calais ligger mindre än en timmes bilresa från den belgiska gränsen.
Två belgiska poliser har förhörts av sina franska motsvarigheter efter att de åkte fast med 13 olagliga invandrare i bilen.