Fängelserna kommer mindre än en vecka innan påven Francis besökte Kuba.
De flesta aktivisterna var medlemmar av den övervägande katolska dissidentgruppen, Ladies in White.
De gick genom gatorna i Havanna och höll upp bilder på politiska fångar, innan de avrundades av polisen.
Enligt Kubas huvudsakliga dissident webbplats, 14yMedio, medlemmar av Ladies in White och aktivister från andra oppositionsgrupper handfängslades och knuffades in i polisbilar och bussar på söndag eftermiddag.
Ett antal av dem släpptes flera timmar senare, stod det.
Kuba säger att demonstranterna finansieras av högeramerikanska grupper för att destabilisera regeringen.
Kubanska dissidenter planerar att protestera under påvens besök på ön, som börjar på lördag.
De har anklagat den kubanska katolska kyrkan för att bli alltför hemtrevlig med Raul Castros regering och för att inte uttala sig mot kränkningar av de mänskliga rättigheterna.
"Kyrkan bör bry sig om detta eller närhelst mänskliga rättigheter är inblandade. Det är deras plikt", sade Jose Daniel Ferrer, chef för ledande dissidentgruppen Patriotic Union of Cuba.
Han berättade för Reuters nyhetsbyrå att han blev handfängslad och förd till en polisstation efter söndagens protest.
Polisen släppte av honom vid en bussterminal, sa han.
Den kubanska katolska kyrkan säger att den försvarar respekten för de mänskliga rättigheterna men inte kan ta upp enskilda politiska orsaker.
Påven Francis spelade en nyckelroll när det gällde att underlätta de historiska förhandlingarna mellan Kuba och Förenta staterna, vilket ledde till att diplomatiska förbindelser återupprättades efter mer än fem decennier av fientligheter.
Höga kubanska och amerikanska tjänstemän möttes i hemlighet i månader i Vatikanen innan presidenterna Barack Obama och Raul Castro överraskade världen i december förra året genom att tillkännage att de hade gått med på att förbättra relationerna.
Kubanska polisen har fängslat mer än 50 personer som deltog i en marsch och uppmanat öns kommunistiska regering att frige politiska fångar.