Sous domination perse

En 539 avant J.-C., les Perses écrasent Nabonide à Opis et le 29 octobre Cyrus l’Achéménide entre dans Babylone. Il est dès lors le seigneur d’un empire qui s’étendra de l’Inde à l’Égypte, de l’Asie centrale à l’Ionie. La conquête de Cyrus ouvre la voie à l’unification de l’Asie Antérieure sous le sceptre perse et permet des échanges culturels plus intenses entre les satrapies (provinces de l’Empire perse). Babylone perd la suprématie internationale acquise sous la dynastie de Nabuchodonosor II tout en conservant le rang de capitale ; elle maintient également sa position de principal centre culturel et administratif de la Mésopotamie comme chef-lieu de la neuvième satrapie.
Si, sur le plan historique, la fracture avec le passé est profonde - car pour la première fois dans toute son histoire la Mésopotamie, et Babylone en particulier, perdent leur indépendance et se retrouvent gouvernées par une dynastie étrangère qui a ses racines et ses traditions en Iran -, sur le plan culturel, la vie des habitants ne révèle pas de changements traumatisants et semble même s’écouler comme par le passé. Dans les habitations du quartier du Merkes (« centre ») en particulier, les maisons construites à l’époque néo-babylonienne subsistent dans les périodes suivantes. L’évolution des pratiques funéraires reflète elle aussi un développement purement local, sans influences iraniennes directes. La confirmation de la force de la tradition babylonienne est encore plus prononcée dans les objets d’usage commun.
Le quartier des palais de Nabuchodonosor, le Kasr/Qasr, demeure encore le siège des souverains à l’époque achéménide ; l’activité de construction des rois achéménides est documentée par la présence, aux marges du secteur occidental de l’ancien palais, d’un petit édifice érigé sur une terrasse artificielle englobant les murs néo-babyloniens, entre le mur d’enceinte du palais sud et les murailles de la ville. Il ne reste pratiquement plus rien de son élévation mais il semble s’agir d’une installation rectangulaire avec une façade ouverte au nord par un portique à quatre colonnes entre deux tours, précédé par un escalier et suivi d’une salle hypostyle rectangulaire au plafond soutenu par deux rangées de quatre colonnes, un schéma qui applique librement les principes de la première architecture impériale entre Cyrus et Darius. Les sols sont réalisés avec une technique extrêmement raffinée dont on trouve des parallèles à Persépolis et à Suse. Les colonnes sans doute en bois peint et doré, ont une base en pierre calcaire gris sombre ; leur forme est de type persépolitain dans la salle, avec des décorations à corolle de feuilles. La décoration des parois de briques à glaçure est très riche avec des motifs caractéristiques que l’on retrouve à Persépolis et surtout à Suse, tels les compositions avec les gardes impériaux armés de l’arc, du carquois et de la lance ou encore les bordures de motifs géométriques et les encadrements de frises de rosettes.

Sous domination grecque et parthe

Le 1er octobre  331 avant J.-C.,Darius III est mis en déroute à Gaugamèles et sa fuite ouvre la plaine babylonienne aux phalanges macédoniennes. Peu après, le satrape Mazaios/Mazday ouvre les portes de Babylone à Alexandre Le Grand qui prend possession de la ville avec la pompe d’un libérateur. Il effectue les sacrifices rituels à Belos (Marduk) et, avant de poursuivre ses conquêtes, donne l’ordre de restaurer son temple. Babylone allait devenir la capitale de l’empire d’Alexandre. Il allait y mourir, à son retour d’Inde, le 10 juin 323 avant J.-C. Ainsi commence une ère nouvelle qui ouvre l’Orient à la culture hellénistique et au dialogue complexe de celle-ci avec les antiques traditions des peuples orientaux. Séleucos, fut peut-être le dernier des rois bâtisseurs mésopotamiens ; il fonde sa ville royale sur le Tigre, mais Babylone demeure l’un des centres les plus importants de l’empire séleucide. Antiochos Ier, qui se comporte en roi babylonien, reprend l’activité de construction dans l’Esagil . La communauté grecque de la cité, refondée comme « polis » grecque par Antiochos IV Epiphane, prospère aux côtés de la communauté babylonienne presque jusqu’à la fin de l’époque parthe. La fondation de Séleucie marque cependant la fin de la suprématie politique de l’antique métropole. En 141 avant J.-C., Mithridate Ier, roi des Parthes – une dynastie originaire d’Iran -, s’empare de la nouvelle et de l’ancienne capitale. Avec Mithridate II (123-88 av. J.-C.), la couronne parthe arsacide contrôle durablement toute la région depuis Ctesiphon, son siège de Babylonie. Babylone ne sera plus au cœur des événements politiques, si ce n’est lors des éphémères conquêtes de Trajan et de Septime Sévère, mais son importance économique et culturelle perdurera durant toute l’époque parthe. C’est seulement avec les Sassanides que s’installera progressivement le silence des sources historiques et archéologiques de la ville jusqu’à ce qu’elle soit réduite, à l’époque islamique, à un village insignifiant mais riche de souvenirs légendaires.
Les éventuelles traces archéologiques de la présence des souverains ultérieurs dans les anciennes constructions royales et les édifices religieux ont été victimes de la récupération des matériaux de construction et des pillages qui commencèrent avant même l’abandon de la cité, à la fin de l’Antiquité.