Domstolstjänstemän som utförde ett vräkningsbeslut på tisdagen upptäckte kropparna på en 11-årig pojke och en 14-årig flicka.
Polisen döpte inte kvinnan utan sa att kropparna var inlindade i samma plastpåse.
Två av kvinnans andra barn, 11 och 17 år, hittades i grannens hem och sattes i skyddshäkte.
En obduktion har planerats för att avgöra hur barnen dog.
Polischef James Craig kallade det ett "fruktansvärt fynd".
Tori Childs, en granne, berättade för Associated Press att hon inte hade sett de två döda barnen på ungefär ett år.
Grannarna sa att den 36-åriga mamman låg efter med hyran på sin lägenhet med tre sovrum och "gå igenom vissa saker".
En mamma i Detroit har gripits efter att två av hennes barn hittats döda i frysen.