در بابل ده‌ها هزار نفر از جوامع خارجی وجود داشتند و در میان آنها تعداد زیادی یهودی نیز وجود داشت که به اجبار و فشار شاه کلدانی از کشورهای خودشان رانده شده بودند. این مردمان هرگز امید به بازگشت به میهن خود را از دست نداده بودند. اینها همگی آماده بودند تا به دشمن نبونعید کمک کنند و بدین ترتیب پارسیان را ناجی خود تلقی می‌کردند. کشمکش‌های اجتماعی از یک سو، نارضایتی کشاورزان، صنعتگران، اشراف و نجبا (کارمندان، کاهنان، بازرگانان و غیره) از سوی دیگر باعث شده بود که زیربنای اجتماع ویران شود. شاه بابل که ده سال از پایتخت دور بود و در تیما سکونت داشت، تجارت پُرسود کندر را به انحصار خویش درآورده بود و خدای سین را به مردوک ترجیح می‌داد که این امر موجب خشم و نارضایتی کاهنان را فراهم آورده بود. کشاورزان و صنعتگران که قسمت عمدهٔ جمعیت کشور را تشکیل می‌دادند، نسبت به فعالیت‌های نبونعید در زمینهٔ آماده‌شدن برای جنگ، بی‌تفاوت بودند و میل داشتند فرمانروایان قدیمی را، بی‌دردسر و زحمت با فرمانروایان جدید تعویض نمایند، ارتش بابل بر اثر جنگ‌های متعدد در عربستان خسته و فرسوده شده بود و به مشکل می‌توان انتظار داشت که چنین ارتشی توانایی آن را داشته باشد تا با سپاهیان دشمن که هم از نظر تعداد و هم از نظر تجهیزات برتر بودند بجنگد و در برابر آنها بایستد. بدین ترتیب بابل فاقد توانایی و قدرت لازم برای مقابلهٔ مؤثر در برابر سپاهیان کوروش بود. هنگامی که کوروش به بین‌النهرین حمله‌ور شد، کاهنان او را نمایندهٔ خدای مردوک دانسته، به وی خوش‌آمد گفتند و پیامبران یهودی اعلام داشتند که وی نجات‌دهندهٔ قوم آنان است و سایر طبقات خارجی نیز وی را به عنوان آزاد کنندهٔ خود دانستند.
بابل از استحکامات طبیعی برخوردار بود؛ چنانچه در غرب رود فرات، در شرق رود دجله و در جنوب خلیج فارس او را احاطه می‌کردند و برای محصور بودن بابل در شمال، نبوکدنصر دوم، فاتح اورشلیم، از سر احتیاط یک دیوار مادی ساخته بود که می‌توان آن را نمونهٔ بابلی دیوار چین دانست. این دیوار در نقطه‌ای که فاصلهٔ بین دجله و فرات به حداقل می‌رسد، بنا شد. سازندهٔ دیوار، نبوکدنصر، می‌نویسد: «برای اینکه فشار آب آسیبی به دیوار نزند، رویهٔ بیرونی آن را با آجر و ملات قیر استحکلم بخشیده‌ام». گزنفون که در سال ۴۰۱ پیش از میلاد این بنا را دیده‌بود، ضخامت آن را ۲۰ پا و بلندی‌اش را ۱۰۰ پا تخمین می‌زند.
کوروش با سپاه خود از میان گوتیوم به‌طرف جنوب حرکت کرد و از رود سیروان گذشت و در آغاز سال ۵۳۹ پیش از میلاد به شهر اُوپیس، دژ شرقی دیوار مادی رسید و اُوپیس محاصره و به آتش کشیده شد. ایرانیان از سر دوراندیشی، از کرکوک، قیر و قطران همراه خود آورده بودند. در نبردهایی خونین، اُپیس به تصرف درآمد و سپاه نبونعید شکست خورد. در روز دهم اکتبر شهر سیپار نیز سقوط کرد و دژ غربی دیوار مادی نیز بدون درگیری تسلیم سپاه کوروش شد. بدین ترتیب کوروش در جنوب دیوار مادی با گذشتن از دجله، همهٔ استحکامات دفاعی نبوکدنصر را دُور زد و دو روز بعد، دوازدهم اکتبر، همزمان با جشن سال نوی تقویم بابلی، گئوبروه با سپاه خود وارد بابل شد و بدون جنگ و تلفات، شهر را تصرف کرد و مطابق با دستور کوروش، بلافاصله نظم سختگیرانه‌ای در بابل وضع شد. «سپرهای نیروهای گوتیوم، دروازه‌های اسانگیلا را احاطه کردند. هیچ عبادتی دچار وقفه نشد. نه در اسانگیلا و نه در دیگر معابد هیچ مراسمی از قلم نیفتاد.»
نقاشی یهودیان در نزد کوروش بزرگ، اثر ژان فوکه در سال ۱۴۷۰ میلادی.
پس از فتح بابل
هفده روز پس از سقوط بابل، در روز ۲۹ اکتبر سال ۵۳۹ پیش از میلاد، خود کوروش وارد پایتخت شد و همچون یک رهایی‌بخش مورد استقبال قرار گرفت. رویدادنامهٔ نبونعید در این‌باره گزارش می‌دهد: «شاخه‌های نی پیش پای او گسترانده شد. شهر غرق صلح و آرامش بود. کوروش برای سراسر سرزمین‌های بابل صلح را بشارت داده بود.»
برترین قدرت اجرایی در بابل متعلق به ساتراپ پارسی است. اولین حکمران شهر بابل، فرماندهٔ کوروش، اوگبارو بود که بر کل میانرودان تسلط داشت. اوگبارو ۳ هفته بعد از فتح بابل درگذشت. در ۵۳۸ پیش از میلاد کوروش، پسرش کمبوجیه را به عنوان شاه بابل منصوب کرد تا بر سایر امپراطوری تسلط داشته باشد. مدت حکمرانی کمبوجیه، در حقیقت محدودتر از آن بود که به نظر می‌رسد: او تنها شاه بابل و بخش شمالی (کشور بابل) بود درحالی که مرکز و جنوب بابل در دستان کوروش و نمایندگانش بود. علاوه بر این کمبوجیه بیش از ۹ ماه حکمرانی نکرد. در ۵۳۷ پیش از میلاد، به دلایلی نامشخص، کوروش او را از سمتش عزل کرد.
کوروش حکمرانی بابل را به بابلی زاده، «نبوئَه بولیت» داد. او کسی بود که قبل از پیروزی پارس‌ها بر بابل، منصبی در حکومت نبونئید داشت. در ۵۳۵، کوروش استان مجزایی شامل میانرودان و نواحی غرب فرات (فنیقیه، سوریه، فلسطین) تشکیل داد و گوبارو را ساتراپ پارسی آنجا گماشت. گوبارو حداقل تا ۵۲۵ در آنجا حکمران بود.
تصرف بابل نقطهٔ عطفی بود که باعث ایجاد تعادل بین قدرت‌های درگیر در آسیای غربی شد و به‌دنبال آن سلطهٔ بیشتر ایرانیان را بر شهرهای سوریه و فلسطین و نیز سواحل فنیقیه در پی داشت که پیش از این در حوضهٔ قدرت بابل قرار داشت. اقدام تعیین‌کنندهٔ کوروش که سبب خشنودی کاهنان شد این بود که همهٔ بت‌هایی را که نبونعید به‌زور به بابل آورده بود را به جاهای خود بازگرداند. پیامد دیگر تصرف بابل، بازگشت یهودیان تبعیدی در بابل، به میهن خود بود. در سال ۵۳۸ پیش از میلاد، کوروش اجازهٔ بازگشت این یهودیان به فلسطین را داد و شخصی به‌نام «شش بازار» که رهبر یهودیان در اسارت بود را به‌عنوان فرماندار منطقهٔ یهودیه منصوب کرد. همچنین دستور داد که معبد اورشلیم را بازسازی کنند: «در خصوص خانهٔ خدا در اورشلیم: معبد باید ساخته شود، به طول ۶۰ ارش و به بلندی ۶۰ ارش، با سه لایه از سنگ‌های مکعب و بر روی آن لایه‌ای از دیرک. مخارج را خزانهٔ دربار سوریه پرداخت می‌کند. همچنین باید اشیای زرین و سیمین خانهٔ خدا را که نبوکدنصر از معبد اورشلیم برداشته و به بابل برده‌است، بازگردانده شود». و میثرَداته [مهرداد]، خزانه‌دار مادی کوروش در بابل، از سوی کوروش فرمان یافت تا ظروف و اشیای زرین و سیمین را که نبوکدنصر در سال ۵۸۷ پیش از میلاد از اورشلیم ربوده بود، تحویل دهد. تعداد این قطعات به بیش از پنج هزار عدد می‌رسیده‌است. احتمالاً انگیزهٔ کوروش از اسکان دوبارهٔ یهودیان در اسرائیل، ایجاد یک ساتراپی (ایالت) حائل بین ایران و مصر بود اما نتیجهٔ آن، تجدید اسکان و نوسازی در اسرائیل شد. مدارک باستان‌شناختی بسیاری در دست‌است که نشان می‌دهد پس از بازسازی معبد اورشلیم، یک رشته پایگاه‌های مرزی از خلیج ایسوس تا سواحل فلسطین، بازسازی و ایجاد شد و دژهایی بر سر راه مصر در صیدا و اورشلیم و دیگر شهرهای این منطقه ساخته شد تا پایگاه مناسبی برای حمله به مصر باشد.