Com a destruição de Nínive, surgiu novamente o Império Babilônico, que foi intitulado pela história de Segundo Império Babilônico, de 604 a 561 a.C. O sucessor do rei Nabopalassar, seu filho Nabucodonosor, tentou restaurar a época de Hamurábi. Reconstruiu a cidade da Babilônia, construiu templos para vários deuses, especialmente o de Marduque, e cercou a cidade com uma enorme muralha.
Assim, a cidade da Babilônia retomou seu esplendor e tornou-se o maior centro comercial e cultural do Oriente Médio. A beleza da cidade era famosa, por conta dos chamados Jardins Suspensos da Babilônia, uma das sete maravilhas do mundo antigo. Os jardins foram construídos em terraços superpostos de onde nasciam flores e árvores exóticas.
Ainda no reinado de Nabucodonosor, ele capturou e escravizou o povo hebreu, que foi levado para a capital do império. Esse fato ficou conhecido tradicionalmente pelos judeus como Cativeiro da Babilônia. Os refinamentos da cidade da Babilônia transformaram-na numa cidade de corrupção e, pouco a pouco, suas defesas militares foram enfraquecidas.
Em 539 a. C., Ciro, rei da Pérsia, aproveitou-se da decadência moral e militar da grande cidade e atacou-a, tornando impossível qualquer resistência. Os exércitos persas entraram na cidade sitiada sob os aplausos do povo, fato incomum na Antiguidade. A corrupção e as imoralidades vividas na corte de Nabonide, seu último rei, provocaram o descontentamento do povo, o que facilitou ainda mais a conquista persa. Era o fim do Império Babilônico.