เมื่อ 612 ปีก่อนคริสตกาล พวกคาลเดียน (Chaldean) ซึ่งเป็นชนเผ่าฮีบรูทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ของลุ่มแม่น้ำไทกริส-ยูเฟรทีสก็สามารถเข้ายึดกรุงนิเนเวห์ได้สำเร็จ และสถาปนากรุงบาบิโลนขึ้นเป็นเมืองหลวงอีกครั้งหนึ่ง และจัดตั้งเป็นอาณาจักรกรุงบาบิโลนขึ้นมา อาณาจักรกรุงบาบิโลนใหม่เป็นอาณาจักรที่รุ่งเรืองมาก ในสมัยพระเจ้าเนบูคัดเนสซาร์ที่ 2 พวกคาลเดียนสามารถยกกองทัพไปตีได้เมืองเยรูซาเลม และกวาดต้อนเชลยชาวยิวมายังกรุงบาบิโลนได้เป็นจำนวนมาก ยิ่งไปกว่านั้นยังมีการสร้างสวนขนาดใหญ่เรียกว่า สวนลอยแห่งบาบิโลน ซึ่งถือได้ว่าเป็นสิ่งมหัศจรรย์ของโลกยุคโบราณเพราะสามารถใช้ความรู้ในการชลประทาน ทำให้สวนลอยนี้เขียวขจีได้ตลอดทั้งปี นอกจากนั้นพวกคาลเดียนในบาบิโลเนียใหม่ยังปรับปรุงด้านเกษตรกรรม และเริ่มต้นงานด้านวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางดาราศาสตร์ มีการแบ่งสัปดาห์ออกเป็น 7 วัน แบ่งวันออกเป็น 12 คาบ คาบละ 120 นาที และยังสามารถพยากรณ์สุริยุปราคาตลอดจนคำนวณเวลาการโคจรของดวงอาทิตย์ในรอบปีได้อย่างถูกต้อง ชาวคาลเดียนเป็นชาติแรกที่ริเริ่มนำความรู้ทางดาราศาสตร์มาทำนายโชคชะตาของมนุษย์

เมื่อ 539 ปีก่อนคริสตกาล อาณาจักรกรุงบาบิโลนใหม่ถูกกองทัพเปอร์เซียโดยการนำของ พระเจ้าไซรัสมหาราช (Cyrus the Great, 559-530 ปีก่อนคริสตกาล) เข้ายึดครองและผนวกเข้าเป็นส่วนหนึ่งของจักรวรรดิเปอร์เซียที่เรืองอำนาจอยู่ในบริเวณเอเชียตะวันตก จึงนับได้ว่าประวัติศาสตร์ของดินแดนแถบเมโสโปเตเมียในยุคโบราณได้สิ้นสุดลงไปด้วย