Faits: A. Ressortissant camerounais né en 1979, X._ a déposé une demande d'asile en Suisse, qui a été rejetée le 10 juillet 2003 par l'Office fédéral des réfugiés, actuellement l'Office fédéral des migrations, (ci-après: l'Office fédéral). Le 17 septembre 2003, cette décision étant devenue définitive et exécutoire, l'intéressé s'est vu impartir un délai échéant le 10 novembre 2003 pour quitter la Suisse. Le 25 octobre 2006, les autorités camerounaises ont établi un laissez-passer en faveur de X._, qui était dépourvu de documents d'identité. Ce laissez-passer est arrivé à échéance le 24 janvier 2007. Le 16 novembre 2006, l'intéressé a refusé de signer un plan de vol à destination de son pays d'origine pour le 4 décembre 2006; il ne s'est pas présenté à cette date à l'aéroport et a disparu. Le 23 janvier 2009, X._ a été interpellé en possession de documents d'identité volés et mis en détention préventive par le Juge d'instruction de l'arrondissement de Lausanne (ci-après: le Juge d'instruction). Dans une décision du 30 janvier 2009, le Juge d'instruction a indiqué avoir ordonné la relaxation de X._ pour le 3 février 2009, "en mains de l'inspecteur de la police de sûreté (BRES)", pour que l'intéressé puisse être présenté au Juge de paix en vue de son éventuel placement en détention administrative. Il a ainsi déclaré sans objet la demande de mise en liberté formée par X._. B. Le 2 février 2009, le Service de la population du canton de Vaud (ci-après: le Service de la population) a requis de la Police cantonale vaudoise l'arrestation de X._ et sa mise à disposition du Juge de paix des districts de Lausanne et de l'Ouest lausannois (ci-après: le Juge de paix) pour une audition prévue le 3 février 2009. Ce jour-là, le Service de la population a demandé au Juge de paix de placer X._ en détention administrative, afin de préparer son retour dans son pays d'origine. A l'issue d'une audience tenue le 3 février 2009, le Juge de paix a ordonné la détention de X._ dès le 3 février 2009. L'ordonnance motivée a été notifiée le 4 février 2009. C. Par arrêt du 13 mars 2009, la Chambre des recours du Tribunal cantonal vaudois (ci-après: le Tribunal cantonal) a rejeté le recours de X._ contre l'ordonnance du 3 février 2009 et confirmé la décision attaquée. D. Le 23 mars 2009, X._ a déposé au Tribunal fédéral un recours en matière de droit public contre l'arrêt du Tribunal cantonal du 13 mars 2009. Il conclut, sous suite de frais et dépens, principalement, à la réforme de l'arrêt attaqué en ce sens que son recours cantonal soit admis, que l'ordonnance du Juge de paix du 3 février 2009 soit annulée et qu'il soit immédiatement libéré; subsidiairement, il conclut à l'annulation de l'arrêt entrepris et au renvoi de la cause au Tribunal cantonal pour nouvelle instruction et nouvelle décision dans le sens des considérants. Il requiert en outre la production de deux dossiers et sollicite l'assistance judiciaire. Le Tribunal cantonal se réfère à l'arrêt attaqué. Le Juge de paix a renoncé à répondre au recours et l'Office fédéral n'a pas présenté d'observations. Le Service de la population a déposé ses déterminations tardivement, à l'instar du recourant. E. Par ordonnance du 27 mars 2009, le Président de la IIe Cour de droit public a rejeté la requête de mesures provisionnelles tendant à la libération immédiate du recourant. 