De misstänkta klättrade över ett stängsel för att komma åt veociraptorerna, som var en del av en utomhusvisning.
De halshögg sedan glasfiberdinosaurierna med en handhållen kvarn eller hacksaw, sade lokal polis.
Myndigheterna ber om information om vandalerna, som de har märkt med "idioter".
Polisens talesman Rod Anderson berättade för Australian Broadcasting Corporation att stölden var "en ganska dum handling", och att förövarna kan ha velat behålla huvudena som troféer.
"Vi förväntar oss att dessa förövare, eftersom de uppenbarligen inte är särskilt smarta, kommer att berätta för människor om det... Vi vill att folk ska ge oss information om vilka dessa idioter är," han citerades som säger.
Händelsen ägde rum på National Museum of Dinosaurs på lördag kväll och rapporterades endast upptäckas nästa morgon av besökare.
Museihandledare Mitchell Seymour berättade för The Canberra Times att barnen " hade frågat sina föräldrar: 'Mum och pappa, vad har hänt med dinosaurierna?''''.
Museet verkar vara ett vanligt mål. I mars 2013 stals en dinosaurie i ett skenbart födelsedagsskämt och hittades i en lokal mans hem.
Månader senare hittades tre andra dinosaurier vandaliserade på museet. Nästa år blev en annan dinosaurie stulen och hittades senare skadad i en närliggande park.
Australiska polisen är på jakt efter vandaler som hackade sig av och stal huvudena på tre dinosauriestatyer från ett museum i Canberra.