Nabopolasar tomó parte cuantas veces pudo en el acoso contra Asiria, apoyó variablemente a los candidatos rivales, guerreó frente a Egipto para asegurar su retaguardia y llevó a cabo una vasta labor de restauración de infraestructuras en Babilonia (empezando por la vital red de canales). Cuando Ciaxares de Media tomó Asur (614), pactó con él y cooperó en la destrucción de Nínive (612) y Harrán (610). Llamó a su hijo Nabucodonosor II, en memoria del famoso rey de la II Dinastía de Isín. Cuando el rey murió en Babilonia, su hijo combatía con éxito a los egipcios en Carquemish, que tomó (605): aunque faltan bastantes de las crónicas sobre su reinado, puede afirmarse que pasó la vida guerreando. Luchó a menudo en Siria y Palestina, contra los egipcios y los reinos locales. En 604 tomó Ascalón a los filisteos y en 601 intentó fallidamente entrar en Egipto. El faraón apoyaba a los rebeldes del área y Nabucodonosor venció al reino de Judá y tomó Jerusalén (16 de marzo de 597): 3.000 judíos y el rey Joaquim fueron deportados a Babilonia (primer "exilio") y un títere, Sedecías, fue designado rey en Judá. Una nueva rebelión judía (lamentos de Jeremías), al amparo de una expedición egipcia (Dinastía XXVI) que llegó hasta Sidón, narrada en la Biblia, concluyó con la destrucción de Jerusalén (587) tras dos años de asedio y con la deportación masiva de los judíos (exilio bíblico por antonomasia), cuyo reino desapareció. Tiro se rindió en 584, aunque no pudo ser tomada por las carencias navales babilonias, y aún hubo una tercera rebelión judía, también sofocada, en 582. Durante todo el reinado se mantuvo la hostilidad egipcio-caldea, mientras que Nabucodonosor firmó alianzas con los los medos, entonces hegemónicos en Irán.

Los gastos de las guerras del rey fueron ingentes, pero su administración tributaria y económica resultó sumamente eficaz. Frente al empobrecimiento de Babilonia durante el dominio de Asiria, bajo Nabucodonosor se aprecia un franco resurgimiento en el reino gobernado desde "la mayor ciudad del Universo" (alcanzó la cifra entonces enorme de unos 80.000 habitantes) y cuyas fronteras llegaban hasta Egipto. La red de riegos se adensó visiblemente y el comercio exterior alcanzó cotas elevadas, entre otras causas por la desaparición de las rutas asirias, que dieron nuevo protagonismo a Babilonia. Los edificios nuevos o renovados fueron muy numerosos e incluso mayores que los promovidos por los reyes asirios, incluida una tercera muralla en Babilonia que, según los griegos, superaba los 30 m de altura. El gigantesco palacio real es aún famoso por sus preciosas paredes figuradas hechas de ladrillo vidriado y por los famosos "jardines colgantes". De su tiempo es también la "Torre de Babel", el Etemenanki, por entonces inconclusa , aunque había sido comenzada por Nabucodonosor I más de medio milenio antes. Una tablilla la describe como sucesión de cinco terrazas rematadas por un templo, con una altura doble que los grandes templos normales (unos 90 m). Al Etemenanki afluía la vasta vía procesional que cruzaba la gigantesca y bellísima Puerta de Ishtar [Astarté].

A la muerte del rey parece que el poder estuvo en manos de los sacerdotes de Marduk. Se sucedieron fugazmente el hijo de Nabucodonosor (Auil Marduk), su cuñado (Nergalsharusur = Neriglisar 559-556) y el hijo de éste, casi niño, que fue asesinado. El último y notable rey babilonio, Nabónides (o Nabónido, 556-539) no era de inmediato origen caldeo, sino arameo del Éufrates (Harrán), hijo de una sacerdotisa del dios Sin, el dios lunar, que huyó a Babilonia tras la toma de Harrán por los medos. El rey guerreó en Cilicia y pactó con Astiages de Media una alianza contra los persas, amenazadores desde que Ciro II (el Grande) llegó al trono (559). La tradición habla de él como un fanático de la devoción a Sin, opuesto a Marduk (aunque consta su respeto por éste), que abandonó Babilonia durante diez años para vivir en Arabia (lo que es cierto), donde llegó hasta Medina. Babilonia fue encomendada a su hijo, Baltasar (Bel-shar-usur, cf. Libro de Daniel), pero ello no suplió la insustituible presencia del rey, sacerdote insustituible de Marduk y protagonista de la vital festividad del Año Nuevo, en la que se renovaban la alianza de Marduk con su pueblo y las fuerzas cósmicas que protegían a Babilonia. El creciente poder de Ciro y su calculada liberalidad con los pueblos vencidos en el N y el O (desde Asiria hasta Lidia) alimentaron a un fuerte partido filopersa. Ciro ganó Media (550) y Nabónides pactó con Creso de Lidia una alianza defensiva, pero no pudo impedir la entrada de Ciro en Sardes, la capital lidia (546). Aunque regresó a Babilonia, parece que los sacerdotes de Marduk esperaban tener mejor fortuna con un soberano persa que con Nabónides. Ciro atacó Babilonia por el N, venció al rey y los sacerdotes de Marduk le abrieron la capital sin lucha (539), ejemplo que fue seguido por las demás ciudades. El dominio persa se instauró de inmediato y fue respetuoso con las peculiaridades de aquella cultura milenaria que, desde entonces, careció de independencia política. Fue una provincia del Rey de Reyes y, luego, un territorio bajo el control de Alejandro y de los generales macedonios que le sucedieron.
La lengua babilónica de este periodo, muy arameizada, produjo gran cantidad de documentos (a pesar de que se han perdido los textos escritos en materiales blandos -papiro, vitela-, sin duda muy numerosos) que aún no han sido estudiados por completo.