Timothy Russell och Malissa Williams dog 2012 i en spärreld av kulor avfyrade av 13 officerare i en biljakt.
Michael Brelo, 31 år, den enda polisman som åtalades, friades från dråp vid hovet i Cleveland.
USA har sett en rad mord i samband med poliskapplöpningar, av vilka en del har lett till allvarliga oroligheter.
I själva Cleveland sköt polisen i november förra året en 12-årig svart pojke, Tamir Rice, när han viftade en replika skjutvapen, underblåste den nationella debatten om polisens användning av dödligt våld.
Domen har orsakat ilska i samhället men protester som hållits efter domen har varit fredliga.
Protester samlades utanför det avspärrade tingshuset, några skanderande, "Upp med händerna, skjut inte!"
De marscherade senare från tingshuset till rekreationscentret där Tamir Rice blev skjuten.
Omkring 200 personer höll också en hånfull begravningsprocession i staden, bär en svart kista och sjunger för att markera sex månader sedan mordet på Tamir Rice. Några hade tecken som sa: "Kommer jag att stå på tur?"
Analys: BBC Nordamerika korrespondent Rajini Vaidyanathan
Den dramatiska biljakt som slutligen ledde till att Timothy Russell och Malissa Williams dog hände för mer än två år sedan, men många hör sin historia för första gången.
Polismord är inte ovanliga, men händelserna i Ferguson och nyligen Baltimore har drivit dessa frågor till toppen av dagordningen, tvingar Amerika att ta en lång titt på hur det hanterar dessa fall. I detta fall, domaren beslutat att frikänna Michael Brelo - en fällande dom krävde en bevisbörda som han trodde inte var där.
Men de senaste protesterna på gatorna i Cleveland visar att kampanjdeltagarna håller farten uppe när det gäller att ta upp de mer omfattande frågorna om polisbrutalitet. Tidigare i veckan gick aktivister ut på gatorna för att belysa antalet svarta kvinnor som utsatts för polisvåld. #SayHerName #BlackWomenMatter kampanjen är utformad för att öka medvetenheten om svarta kvinnliga offer, som inte alltid attraherar samma nivå av media uppmärksamhet.
Polischef Calvin Williams lovade att stödja fredliga protester men varnade staden för att tolerera våld.
Fallet med Russell, 43, och Williams, 30, hade satt igång en rättsutredning som ledde till att Clevelandpolisen hade ägnat sig åt ett mönster av övervåld och kränkningar av medborgerliga rättigheter.
Bara Mr Brelo åtalades för att åklagaren sa att paret i bilen inte längre var ett hot när han klättrade på motorhuven på deras bil och sköt 15 skott genom vindrutan på 7,4 sekunder.
Men domaren sade att eftersom andra officerare hade skjutit i en 137-shot spärreld, kunde han inte härska bortom rimligt tvivel att Brelo var ansvarig för dödsfallen.
Cuyahoga County Common Pleas Domare John O'Donnell frikände också Mr Brelo från det mindre antalet brott.
Domaren sa att han inte skulle "uppoffra" Mr Brelo om bevisen inte rättfärdigade fällande dom.
"Skyldig eller icke skyldig, domen bör inte vara någon anledning för ett civiliserat samhälle att fira eller upplopp," sade han.
Åklagaren Timothy McGinty sa att han var "mycket besviken" på domen.
Russells syster, Michele, sa att mr Brelo inte skulle "ge bort det här bara för att han blev frikänd. Gud kommer att ha sista ordet."
Mr Brelo hade ställts inför 22 års fängelse om han hade dömts för frivilligt dråp.
Incidenten inträffade när bilen, en Chevy Malibu, slog tillbaka när den körde förbi Cleveland-polisens högkvarter, och officerare trodde att ett vapen hade avfyrats.
Omkring 62 polisbilar var då inblandade i en 22-miles jakt i hastigheter upp till 100 mph.
Både Russell och Williams hade tidigare fällande domar och en crackpipa hittades i bilen.
Mr Brelos advokat, Patrick D'Angelo, sade att hans klient hade riskerat sitt liv under jakten och att åtalet för fallet var "försiktigt och oprofessionellt".
Det har förekommit ett antal dödsfall i händerna på polisen i USA som har utlöst rasrelaterade protester.
De två allvarligaste var i Ferguson, Missouri och Baltimore.
I april dog Freddie Gray på sjukhus en vecka efter att Baltimorepolisen hade gripit honom.
Hans död utlöste veckor av protester och senare upplopp och plundring i staden.
I Ferguson dödades tonåringen Michael Brown i augusti förra året av en vit polis. Protester följde, och det blev ytterligare oroligheter efter att en åtalsjury beslutat att inte åtala officeren.
En amerikansk polis som klättrade på en motorhuv och avfyrades upprepade gånger genom vindrutan mot obeväpnade svarta passagerare har rensats från alla anklagelser.