当新巴比伦王国重新控制两河流域南部地区时，已经是在六七百年之后了。新巴比伦王国的辉煌超过了汉谟拉比王统治时期，新巴比伦王国的创建者是迦勒底人，他们是科学史上值得大书特书一笔的民族。他们编辑整理的《巴比伦日志》记载了每月的天文现象、货物价格、水位和天气状况，是世界上最早的天文记录之一。新巴比伦王国最着名的王是尼布甲尼撒二世，他于公元前605年9月7日继承王位，他是《圣经》中记载的巴比伦之囚时的那位国王。尼布甲尼撒在四处征战之余，将国家的财政储备几乎全部用于巴比伦城的建设之中。着名的空中花园据说就是他为来自米底的王妃建造的。
苏美尔人开创的两河流域文明经过巴比伦人的继承发扬向更广阔的的地区传播着，当亚述人取代巴比伦人成为两河流域新的主人时，他们也同时接过了传播两河流域文明的接力棒。
亚述人统治两河流域时期，发端于西部巴勒斯坦地区的犹太文明和东部的波斯文明拜托长期在两河流域文明笼罩下的阴影，开始形成独特的犹太文明和波斯文明。亚述人性格彪悍凶猛，战争是每个亚述男性终身的职业，亚述人的统治经历了古王国、中王国和帝国统治三个时期。
在每个时期，几乎每个国王生平最重要的事业就是对外发动战争，对内评定叛乱。除此之外国王最大的爱好可能就是狩猎。特别是在亚述帝国时期的遗址中发现了大量绘有狩猎场面的浮雕。亚述王国的重要首都尼尼微位于底格里斯河和大扎布河的交汇处，公元前12世纪时，尼尼微就已经是一座大城，亚述王萨尔共二世的儿子辛那赫里布在尼尼微修建了运河、导水管和一座雄伟的宫殿，尼尼微成为当时两河流域的中心，它人口众多，据记载，仅儿童就有几万人。
在犹太人眼里，亚述帝国的国王几乎各个都以残暴着称，因此他们把亚述帝国的首都称为狮子的巢穴，认为这里是嗜血的城市，下了最毒的诅咒。公元前612年5月，尼尼微城陷落了。亚述王为他们的残暴无情付出了代价，但是他们也为保存两河流域文明作出了贡献。阿述尔巴尼拔是其中最杰出的一位，他年轻的时候就精通数学和书吏技术，后来他在首都尼尼微筹建世界上第一个规范的图书馆。国王下令全国上缴各个时期各类泥版文书，包括文学作品、法律条文、合同期约、宗教祭文等等。图书馆的书吏还对馆藏图书进行编目，这成为世界上最早的分类信息目录。亚述帝国灭亡了，古代两河流域文明失去了文明发展的独立载体。而两河流域文明的精髓，却在犹太文明和波斯文明中保存下来。
大约四千年前，亚伯拉罕离开乌尔城，来到迦南。犹太人的历史从此开始。在这期间，一个自称亚伯拉罕的孙子：雅各，在与一位天使决斗了一天一夜之后得到了“以色列“的称号，意思是神的勇士，这就是以色列的由来。300年后，一批辗转流落至埃及的犹太人在摩西的率领下返回巴勒斯坦地区建立了自己的统一国家。公元前1000年左右，犹太古代历史进入最辉煌的时期--大卫王统治时期，正是在这个时期他开始兴建耶路撒冷城。在大卫王的儿子所罗门时期，耶路撒冷终于建成。后来对犹太人影响及其深远的圣殿也是在这个时期建成的，今天圣殿只剩一座哭墙，但是它是犹太人的精神支柱。
公元前597年3月16日，耶路撒冷被新巴比伦王尼布甲尼撒攻陷，大批犹太人被掳回巴比伦，这就是巴比伦之囚。巴比伦之囚仅仅是犹太人多舛命运的开始，在以后的几千年里，犹太人数次遭受外族的迫害和驱赶，丧失了家园，流散在世界各地。令人回味的是，犹太人是让两河流域文明流传后世的主要功臣。
亚述帝国灭亡后，闪米特迦勒底人继承亚述的领土，建立西巴比伦王国，新巴比伦王国后被波斯消灭。波斯帝国的开创者居鲁士在其统治的30年间，他确定了波斯帝国的基本版图，其子冈比西斯更征服了整个两河流域地区和埃及，建立一个地跨西亚北非的大帝国。居鲁士的孙辈大流士使波斯帝国的通知更加完善，他建立发达的道路交通系统和赋税制度，公元前520年，他建造了辉煌的都城波塞波利斯。波塞波利斯建筑恢弘豪放的风格充分体现了当时波斯帝国的强大和富庶。波斯帝国的野心也不仅在于亚州和非洲地区，他们与希腊进行了持续三十年的希波战争，最终以波斯战败告终。公元前332年，在马其顿王亚历山大大帝的东征浪潮中，波斯帝国灭亡。
之后，古代两河流域的文明逐渐掩盖在希腊文明的光辉下，但是古代两河流域文明的丰富遗产仍然影响了后来的文明。
古代两河流域文明创造了许多世界第一：第一张世界地图是以巴比伦为中心的；最早的数学和几何学记录、最早的天文学记录、最早的图书馆、最早的青铜冶炼技术和象牙雕刻都出现于此古代两河流域的建筑，或古朴凝重如神庙；或华丽辉煌如王宫。而且在两河流域发现了大量古代印章，在当时它被作为辨识标志广泛使用。古代两河流域居民对环境问题非常关注，世界上最早的洪水神话就诞生在这里，由于洪水的泛滥导致两河多次改道，依靠两河的城市也随着河道的改变此消彼长。古代两河流域居民也重视城市规划，在乌尔，沿街道两侧修建的多为二层楼房，城市有统一的排水和进水管道，神庙区和手工业区的差别。两河流域居民也是非常优秀的天文学家和数学研究者。
两河流域人民也通过多种渠道将自己的文化传播给世界，他们通过贸易、战争、政府间交往与北非、爱琴海、小亚细亚、南亚次大陆都建立了广泛的联系，为后世带来深远的影响。
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