Derrotados los asirios, Babilonia de nuevo vuelve a ser capital de Mesopotamia, ahora bajo el dominio de los caldeos, formando un nuevo imperio, conocido como el Segundo Imperio Babilónico Babilonia o Neobabilónico.
Con Nabopalassar, los caldeos, los aliados de los medos, consolidaron la independencia de Babilonia, pero fue con su hijo Nabucodonosor cuando el imperio caldeo alcanzó su cenit. Durante el nuevo gobierno, los territorios de Siria y Palestina fueron definitivamente conquistados. Con violentos ataques militares, el rey Nabucodonosor tomó Jerusalén en 586 a.C. y esclavizó a los judíos. Los hebreos fueron llevados como esclavos a Babilonia, episodio relatado en la Biblia como la cautividad de Babilonia.
En el reinado de Nabucodonosor, la ciudad de Babilonia se convirtió en el mayor centro comercial y cultural de todo el Oriente. Fueron construidos palacios, los Jardines Colgantes de Babilonia -considerada una de las siete maravillas del mundo- y la Torre de Babel. El comercio se expandió con el predominio del comercio en caravana que hacía la ruta del Mediterráneo hasta la India.
La muerte de Nabucodonosor marcó el inicio de la decadencia del imperio hasta que, en el año 539 a.C., las tropas persas comandados por el emperador Ciro I conquistaron Babilonia, integrando la región a su imperio. Desde entonces, la civilización mesopotámica desapareció marcando el desarrollo de una nueva civilización.
