Carmarthenshires Mark James och Pembrokeshires Bryn Parry Jones hade fått kontantbetalningar i stället för arbetsgivarpensionsavgifter.
Dyfed-Powys polisen sa att polisen var i diskussioner med revisorerna.
Carmarthenshires råd sade att det var glädjande att revisorn inte fastställde sin pensionspolitik som olaglig.
I rapporten om de offentliga utgifterna sades det att båda myndigheterna hade agerat på ett olagligt sätt genom att låta de verkställande direktörerna välja bort det lokala pensionssystemet (LGPS) för att undvika potentiella skattebetalningar.
James fick också olagligen ersättning för eventuella ärekränkningskostnader.
Biträdande revisor general Anthony Barrett sade: "Carmarthenshire Council har agerat olagligt i två grundläggande frågor, som båda allmänheten måste vara fullt medveten om.
"Myndigheten har fattat beslut och använt skattebetalarnas pengar på områden där de inte har de rättsliga befogenheterna att göra det."
I en separat rapport om Pembrokeshire-rådet drog Barrett slutsatsen att liknande pensionssystem för vissa högre tjänstemän också stred mot lagen.
I slutet av mars 2014 förväntas 51 011 pund ha betalats till verkställande direktör Jones och en annan högre tjänsteman.
Revisorn sade att besluten att tillåta vissa tjänstemän att ta emot betalningar, och sedan för betalningar, var olagliga av flera skäl.
"Publiken bör kunna förvänta sig de högsta standarderna för beslutsfattande vid lokala myndigheter och rådet måste nu ta itu med de brister i förfarandet som jag har identifierat i min rapport", sade han.
"Den måste visa sina väljare att den arbetar i enlighet med lagen och i linje med principerna för god samhällsstyrning."
Barrett sade att varken rådet hade den lagliga befogenheten att ge kontanttillägg i stället för pensionsavgifter för att undvika skatteskulder, men sade att det var upp till de lokala myndigheterna om de försökte kräva tillbaka några pengar.
Barrett förde två rapporter till Carmarthenshires råd - den första om pensionsutbetalningar och den andra om beslutet att bevilja ersättning till den verkställande direktören för att framföra ett ärekränkande genkäromål.
Han sade att rådet agerade "mot lagen" genom att tillåta högre officerare att välja bort LGPS.
Mer än 27 000 pund betalades ut till James inom ramen för stödordningen sedan 2012.
Barrett sade att rådet sedan dess "upphävt sitt beslut att erbjuda ett lönetillägg i stället för pensionsavgifter och meddelade att inga ytterligare betalningar kommer att göras till den verkställande direktören från januari 2014".
Det ursprungliga beslutet som fattades i november 2011 övervägdes av rådets styrelse utan att tas upp på dagordningen och utan att vara öppet för allmänheten.
I sin rapport om ärekränkningen sade revisorn att rådet "inte har de rättsliga befogenheterna att göra sådana betalningar och att det fanns brister i de processer som rådet antog när det fattade beslutet".
Det gällde James förtal mot Jacqui Thompson, en bloggare som arresterades efter att ha filmat ett rådsmöte på hennes mobiltelefon.
Han vann målet och Thompson förpliktades att ersätta rättegångskostnaderna med 23 217 pund.
Hennes eget försök att stämma James för ärekränkning under tvistens gång avslogs.
Carmarthenshire har betalat ut mer än 26000 pund i externa rättegångskostnader sedan 2012 enligt beslutet att ersätta sin verkställande direktör.
Revisorn tillade: "Ärekränkningen pågår fortfarande och det är oklart vilka de slutliga externa rättskostnaderna för rådet kommer att bli."
Carmarthenshires råd sade att det var glädjande att betänkandet inte ansåg att dess pensionspolitik var olaglig, utan att dess processuella process var bristfällig.
Det sades att åtgärder hade vidtagits för att se till att sådana frågor betraktas som separata punkter på en dagordning.
Rådet sade sig vara övertygat om att det var korrekt att ersätta James i ärekränkningen och hävdade att revisionskontoret inte hade invänt mot denna politik när det först rådfrågades om den.
Den lokala myndigheten noterade att revisionskontoret hade ändrat sig i frågan några månader senare, och hävdade att det var "för sent för oss att vrida tillbaka klockan".
Pembrokeshires råd insisterade också på att pensionsutbetalningarna var lagliga.
Som svar på rapporten sade vice ordföranden Rob Lewis: "Medan jag noterar revisorns åsikter om det fattade beslutet, är jag glad att han har kommit fram till att rådet kan fatta ett lagligt beslut när ett antal procedurfrågor har tagits upp."
Janet Finch-Saunders, de walesiska konservativas skuggföredragande för lokala myndigheter, sade: "Dessa rapporter är ytterligare bevis på behovet av en Wales-omfattande översyn av högre lön i walesiska lokala myndigheter, som är utom kontroll och misslyckas med att leverera värde för pengar för hårt arbetande familjer."
Hon sade till BBC Good Morning Wales: " Vi har några utmärkta lokala myndigheter, men detta har kastat en skugga över... våra chefer, som arbetar inom sitt ansvarsområde på ett ärligt och öppet sätt.
"När det gäller konsekvenserna, är det nu dags för den verkställande direktören Mark James att avgå eller, säkerligen, omedelbart avgå."
Under tiden begärde Plaid Cymru att fullmäktigeledamöter som godkände Carmarthenshires pensions- och ärekränkningsbetalningar skulle avgå.
Rhodri Glyn Thomas, partiets AM för Carmarthenshire East och Dinefwr, har också uppmanat James att sluta.
Han tillade: "Detta är en mycket mörk dag för Carmarthenshire, en mörk dag för demokrati i Carmarthenshire, och är ett exempel på vad som händer när man har en mycket svag chef och ett råd som styrs av mäktiga icke valda officerare."
Ordföranden för kommittén för offentliga räkenskaper, Darren Millar, sade rapporterna visade att båda råden hade sjunkit långt under förväntade standarder.
Utskottet kommer nu att överväga dessa resultat som en del av en bredare undersökning av högre chefers löner i den walesiska offentliga sektorn.
Dyfed-Powys Polisen sade att det var "vetande om rapporterna" och "whilst frågan inte har hänskjutits till oss, vi är i diskussioner med revisorn och kommer att göra en bedömning i förhållande till eventuella lämpliga åtgärder av polisen".
Två råd agerade olagligt genom att låta chefer välja bort ett pensionssystem för att undvika potentiella skattebetalningar, säger Wales Audit Office.