После господства касситов Вавилония вступила в длительную полосу упадка. Вторжения Элама и Ассирии, нашествие арамеев на рубеже II — 1 тысячелетия до н.э. сильно ослабили политическое могущество Вавилона, который однако еще оставался важнейшим торгово-ремесленным центром и источником культурного влияния. Вторжение арамеев сыграло существенную роль в изменении этнической характеристики Вавилона: значительную часть его населения стали составлять говорившие по-арамейски халдеи (группа арамейский племен). После падения Ассирии именно халдейский Вавилон вновь вышел на передний план, претендуя вместе с Мидией и Египтом на раздел ассирийского наследства. В схватке с соперниками правитель Вавилона Навуходоносор II (уже из халдейской династии, правил в 605 — 562 гг. до н.э.) вышел победителем и подчинил себе Сирию и Палестину. Именно он разгромил Иудею и увел несколько тысяч евреев в вавилонский плен. Вавилония при этом правителе стала наиболее могущественным государством, а ее столица была превращена в неприступную крепость. Там были собраны люди из разных стран («вавилонское столпотворение»), Вавилон стал крупнейшим и красивейшим городом мира, прославился своими дворцами и храмами, мостами и садами, среди которых выделялись знаменитые «висячие сады» — одно из чудес света в древнем мире. Доминантой огромного города была его «вавилонская башня» — мощное квадратное в плане ступенчатое строение, семиэтажный зиккурат, достигавший в высоту 91 м, со святилищем в честь верховного бога — покровителя города Мардука.После смерти Навуходоносора среди его преемников началась жестокая борьба за власть, в результате которой правителем стал Набонид. Этот очередной выходец из халдейских племен выступил было с рядом социально-религиозных реформ, суть которых сводилась к ослаблению вавилонского жречества вместе с культами старых богов, начиная с Мардука, и выдвижению на передний план арамейского божества Луны — Сина. Развернувшаяся в связи с этими реформами, чем-то напоминающими реформы Эхнатона почти тысячелетием раньше, внутриполитическая борьба сильно ослабила Вавилон и сделала его через четверть века сравнительно легкой добычей персов. Когда в 539 г. до н.э. победоносный Кир II подошел к стенам Вавилона, он сумел, обойдя мощные укрепления, вступить в него (по некоторым данным, осушив для этого русло реки и пройдя по ее дну). Кир отнесся к Вавилону с большой почтительностью, сохранив его статус, права и привилегии. Иноплеменное население, в частности иудеи, было освобождено и получило возможность вернуться на родину. Все вавилонские боги и культы были восстановлены, а Набонид, которому была сохранена жизнь и даже предоставлена должность правителя одной из отдаленных областей империи персов, был обвинен в беззаконии и произволе, в разрушении традиционной религии вавилонян.
