De två kartelltopparna greps i gränsstaden El Paso på torsdagen.
De anklagas för att ha styrt kartellen och dess tillverkning och smuggling av fentanyl, en syntetisk opioid som i dag står för omkring 70 procent av USA:s dödliga överdoser.
Zambada ska ha styrt knarkkartellens smugglingsverksamhet. Han är medgrundare till Sinaloakartellen, men höll länge en relativt lägre profil än sin ökände kompanjon Joaquin "El Chapo" Guzmán.
Den andra gripne är en av "El Chapos" söner, Joaquín Guzmán López.
"Justitiedepartementet har tagit i förvar ytterligare två påstådda ledare för Sinaloakartellen, en av de mest våldsamma och mäktiga narkotikahandelsorganisationerna i världen", säger USA:s justitieminister Merrick Garland i ett uttalande.
"El Chapo" avtjänar sedan tidigare ett livstidsstraff i ett högsäkerhetsfängelse i Colorado i USA.
En annan av knarkbossens söner, Ovidio Guzmán, sitter sedan tidigare frihetsberövad i USA sedan han blivit utlämnad från Mexiko. I samband med att han greps i januari i fjol dödades 29 människor, varav tio mexikanska soldater.