В XVI веке до Рождества Христова пришли новые завоеватели – касситы, скотоводческое пастушеское племя, обитавшее в горных местностях Западного Ирана, в верховьях реки Диялы и ее притоков у северо-западных пределов Элама. В качестве ударной силы своего ополчения они использовали колесницы. Предполагается, что к касситским всадникам восходит образ кентавров. Несколько ниже впадения Хабура в Евфрат касситами было воссоздано старое Ханейское царство с центром в городе Терке, откуда они начали совершать набеги на Вавилонию. В 1595 году до нашей эры, благодаря нашествию хеттов, касситам удалось свергнуть аморейскую династию и установить контроль над Вавилоном и править им до 1157 года до Рождества Христова.
Несмотря на перенесение царской резиденции в Дур-Куригальзу, при касситах Вавилон упрочил свой столичный статус и продолжал расти. Исследователи предполагают, что к концу касситского периода город приобрёл симметричный план и был обнесён «Великой» прямоугольной стеной И́мгур-Энли́ль (аккад. «Энлиль услышал»). Её окружала менее высокая стена Не́мет-Энл́иль (аккад. «Местожительство Энлиля»); при этом жители Месопотамии назвали Имгур-Энлиль «стеной», Немет-Энлиль – «валом». Восемь ворот, названных по именам великих месопотамских божеств (Иштар, Мардука, Шамаша и др.), вели в город – четыре в восточной и четыре в западной. Обновлённый Вавилон делился на десять округов или кварталов (аккад. erșetu, реже – ālu), которые часто носили названия городов Шумера и Аккада. Древнейшая застройка находилась в пределах кварталов Эриду (восточная часть) и Кумар (западная часть); вокруг них группировались новые округа. В Восточном городе это были кварталы: Кадингирра (аккад. Ka-dingirra), Шуанна (аккад. Šuanna), Куллаб (аккад. Kullab), Новый город и округ, название которого передавалось шумерограммой «TE.EKI», но чтение неясно. В Западном городе новыми кварталами были: Баб-Лугальирра (аккад. Bāb Lugalirra, то есть «Ворота Лугальирры»), Туба (аккад. Tuba) и ещё один округ, имя которого неизвестно. По всей видимости, в касситское время многие новые кварталы были ещё слабо заселены. Округа снабжались водой посредством отведённых от Евфрата каналов, через которые были перекинуты мосты. Стремясь подчеркнуть значение города, местное жречество провело большую идеологическую работу, синкретизируя шумеро-аккадскую мифологию и выстраивая её вокруг Вавилона и бога Мардука. Именно в касситский период усиливается культ бога Мардука, а сами касситы превратились в привилегированный класс вавилонского общества.
Одним из культовых имён столицы было «Эриду» – в честь самого древнего города Шумера. Тогда же или в последующее время важнейшие мифологические деяния (обустройство мира, сотворение людей) стали приписываться Мардуку, который в этой роли заменял более «старых» богов – Энлиля, Энки и т. д. Верховный бог шумерского пантеона, Энлиль, со временем стал и вовсе отождествляться с покровителем Вавилона, а его эпитет – Бел/Бэл (аккад. Bēl—Господь) – стал эпитетом Мардука; последнего со временем всё чаще называли Белом-Мардуком или просто Белом. По мнению вавилонян, мир представляет собой три отдельных области: небо, землю и преисподнюю. Миф о происхождении мира с участием Мардука рассказывает о его борьбе с богиней Тиамат, олицетворявшей первобытный хаос. Он побеждает Тиамат и, завладев скрижалями судьбы, разрывает её пополам, а из её тела образовываются земля и небо. Древняя шумерская богиня Инанна, слившаяся с аккадской Иштар (Астар, Астарта, Анунит), стала рассматриваться как супруга Бела-Мардука Царпанит (аккад. Zarpanītu/Ṣarpanītu «Сияющая»), Владычица Вавилона (Белет-Бабили). Сосредоточие большого количества храмов, связь с наиболее значимыми культами и важное идеологическое значение привели к тому, что жители Месопотамии стали воспринимать Вавилон в качестве священного города, престиж которого был очень высок.
Вера в загробное существование была достаточно ярко выражена, но получила, так же как у шумеров, весьма пессимистический характер. Темница, в которую заключены умершие, окружена семью стенами; ни один луч света не проникает в неё. Иногда упоминаются острова блаженных, где нет страдания, болезней и смерти, но достигнуть этих островов могут только редкие избранники.
Но уже в XIII веке до РХ начинается возвышение Ассирии, с которой касситы вступают в непримиримую войну. Так на 8-ом году правления царя Каштилиаша IV, вслед за эламитами на Вавилонию обрушился и ассирийский царь Тукульти-Нинурта I. В произошедшей битве ассирийцы одержали решительную победу, Каштилиаш был взят в плен и в цепях уведен в Ашшур. После этого Тукульти-Нинурта взял Вавилон, разрушил его стены и приказал предать казням и угнать в рабство множество вавилонян и касситов. Сокровищница храма Эсагилы была разграблена, а статуя бога Мардука отправлена в Ассирию. После чего ассирийский царь принял титул «царь четырёх сторон света», «царь Шумера и Аккада» и «царь Кар-Дунияша» (так тогда официально называлась Вавилония) и правил и Верхней и Нижней Месопотамией 7 лет.
Вот как эта победа Ассирии описывается в так называемом эпосе о Тукульти-Нинурте: «Я надвинулся на Каштилиаша, царя страны Кар-Дунияш, чтобы сразится (с ним). Я нанес поражение его войску, поверг его воинов. Посреди этой битвы я схватил Каштилиаша, царя касситов, попрал ногами его царственную шею, как если бы это была подставка для ног. Закованного, плененного привел я его пред (лицо) Ашшура, господина моего. Я стал господином всей страны Шумера и Аккада, утвердил границу моей страны у Нижнего моря, на восходе».
Конец правлению касситской династии положило нашествие эламитов. Последний касситский царь Эллиль-надин-аххе был уведен в плен. Наместником Вавилона был назначен эламский ставленник, а эламиты продолжили свои грабительские походы на юг и север страны.
В дальнейшем Вавилония подверглась новым опустошительным нашествиям различных семитских племен: арамеев, сутиев, ассирийцев, халдеев.
Впервые халдеи упоминаются в 878 году до РХ в анналах ассирийского царя Ашшурназирпала II. Они жили на берегу Персидского залива, в районе болот и озёр вдоль нижнего течения Тигра и Евфрата. Это были семитские племена, говорившие на арамейском языке. Слово «халдеи» неоднократно упоминается в Библии – например, в Книге пророка Аввакума и в Книге Юдифи (5:6). Халдеями в древнем мире также называли колдунов, магов, гадателей, астрологов. По одной из версий, халдеями-магами были волхвы, пришедшие поклониться родившемуся Иисусу. Все халдейские племена вели полукочевой образ жизни и занимались скотоводством, рыболовством, а также земледелием. Они жили родами, под управлением своих вождей, известных из клинописных источников:
В 744 году до РХ ассирийский царь Тиглатпаласар III (745—727 до РХ) вторгся в Вавилонию и нанёс поражение союзным ей халдейским племенам на территории от Сиппара до болот Персидского залива, принял титул «царь Шумера и Аккада». Вавилонии пришлось признать над собой власть Ассирии. Жреческие круги, чиновники и купцы вавилонских городов постепенно превратились в прочную опору ассирийского господства, а инициатива в борьбе за независимость страны перешла к халдеям и низам городского населения. В 732 году до РХ прекращение вавилонской династии послужило сигналом к борьбе между Ассирией, халдеями и Эламом за вавилонское наследство.
Когда наступил упадок ассирийского могущества, халдеи к концу VIII века до РХ появляются в древних городах Уре (отсюда в Библии появляется выражение «Ур Халдейский», Быт. 11:28), Ниппуре, Кише, Куфе и Сиппаре. У них возникают тенденции к объединению. Правитель Бит-Якин уже носит титул царя халдеев. После смерти Улулая против ассирийского владычества выступил халдейский царь Мардук-апла-иддин II и, овладев Вавилоном, правил в нём 12 лет. Дальнейшая борьба халдейских вождей с Ассирией закончилась в пользу ассирийцев.