La sfârşitul secolului al VII-lea a.C., după destrămarea statului assyrian, hegemonia politică în Orientul mijlociu revine din nou, după aproape un mileniu, pentru scurt timp, Babilonului.
Întemeietorul acestui stat a fost Nabopalassar (625-605), care aparţinea aristocraţiei chaldeene şi care a fost probabil general al armatei assyriene. El a profitat de tulburările din imperiul assyrian de la moartea regelui Aşurbanipal pentru a înlătura dominaţia assyriană din sudul Mesopotamiei, proclamându-se „rege al Accadului" El pune astfel bazele statului chaldeo-babilonian cu capitala la Babilon, în timpul căruia vechea metropolă mesopotamiană va cunoaşte ultima sa perioadă de mare înflorire.
Urmaşul său, Nabucodonosor al II-lea (605-562), a consolidat noul stat şi, profitând de condiţii externe favorabile, a impus dominaţia Babilonului asupra unei părţi din moştenirea assyriană. Aceasta a fost împărţită cu Media, care a primit partea nordică. Frontiera dintre cele două state pornea din vest, de la golful Isis, acolo unde litoralul Syrian se întâlnea cu cel anatolian, înainta către est prin Mesopotamia, lăsând mezilor Assyria propriu-zisă şi, probabil, Elamul. Restul teritoriului, cu Syria, Fenicia şi Palestina, a revenit Babilonului.
Deşi au cooperat în lupta antiassyriană, relaţiile dintre cele două state erau departe de a fi amicale. Nabucodonosor asista cu teamă la rapida ridicare a Mediei şi a intuit că din această direcţie venea ameninţarea cea mai mare. De aceea, el a hotărât construirea unui mare zid de apărare între Tigru şi Eufrat, mai sus de Sippar, precum şi ridicarea fortificaţiilor extrem de puternice din jurul Babilonului (anii 590-580). Dar mezii, angajaţi într-un lung război cu Lydia, nu au atacat Babilonul, lăsând lui Nabucodonosor răgazul pentru a-şi consolida dominaţia în regiunea syro-palestiniană, acolo unde faraonii egipteni ridicau, în mod tradiţional, şi ei pretenţii.
Nabucodonosor s-a impus în disputa cu Egiptul, dar dominaţia babiloniană în Palestina a fost îndelung contestată. În urma campaniei din Palestina din anul 604, regatul Iudeei recunoaşte stăpânirea Babilonului dar, mizând pe eficienţa sprijinului egiptean, se revoltă în anul 598. Nabucodonosor a reuşit să reprime răscoala. Ierusalimul este cucerit, regele Ioiachim este capturat şi înlocuit cu Sedechia, iar 10.000 de evrei sunt deportaţi în Mesopotamia. Zece ani mai târziu, Iudeea se revoltă din nou, fiind sprijinită tot de Egipt. Nabocudonosor pătrunde iarăşi în Iudeea cu o puternică armată, cucereşte unul după altul oraşele mai importante pe care le distruge, şi începe asediul Ierusalimului. După doi ani, oraşul este ocupat, regele Sedechhia este capturat, orbit şi trimis în lanţuri la Babilon. După obiceiul assyrian, babilonienii execută întreaga aristocraţie iudaică, iar majoritatea locuitorilor este deportată în Mesopotamia. Este aşa-zisa „captivitate babiloniană", care a lăsat urme adânci în conştiinţa evreilor. Oraşul Ierusalim a avut şi el mult de suferit: zidurile de apărare au fost distruse, la fel templul şi palatul regal. Iudeea a devenit o simplă provincie a statului babilonian. Mai puţin succes a avut Nabucodonosor în faţa zidurilor Tyrului, care au rezistat asediului timp de 13 ani (587-574), după carevechiul oraş fenician a fost nevoit să recunoască suzeranitatea babilonian.
În timpul domniei lui Nabucodonosor, oraşul Babilon a fost înfrumuseţat cu numeroase palate şi temple de o mare frumuseţe, care au făcut din capitala statului cel mai strălucit oraş al epocii.
După moartea lui Nabucodonosor al-II-lea, urmaşii săi nu au reuşit să păstreze imperiul creat de acesta. Ultimul rege este Nabonid (555-539), un personaj ciudat, care nu domneşte în Babilon, ci într-o oază din nordul Arabiei, Taima, conducerea efectivă având-o fiul său, Baltashar (Belşazar). Deşi era aliat al regelui Mediei, Astyages, şi al lui Cresus, suveranul Lydiei, nu întreprinde nimic pentru a evita înfrângerea lor de perşi. În anul 538, perşii, conduşi de regele Cyrus al II-lea cel Mare, pornesc ofensiva împotriva Babilonului. El înaintează pe valea râului Diyala. După o primă ciocnire lângă Opis, armatele persane trec fără dificultate de zidurile construite de Nabucodonosor şi a ocupat oraşul Sippar. În faţa acestei ameninţări, Nabonid a revenit la Babilon, şi împreună cu fiul său Baltashar, s-a închis în citadelă. Dar când armatele perşilor au apărut în faţa porţilor Babilonului, acestea s-au deschis fără luptă. Nabonid a fost trimis în exil în Carmania, iar Baltashar a fost ucis.
După cucerirea persană, regatul Babilonului a continuat în mod formal să existe, căci regii persani se numeau şi regi ai Babilonului. În realitate, Mesopotamia devine o provincie a Imperiului persan, iar Babilonul obligat la plata unui tribut de 30 tone de argint pe an. Componenţa etnică a Mesopotamiei s-a schimbat mult, aici venind numeroşi locuitori din Asia Mică, Egipt şi Iran. Babilonul a continuat să fie un mare oraş al Orientului, în ciuda faptului că a încetat să mai fie un centru politic însemnat.