После этого основатель династии Ахменидов обратил свой взор на богатое Вавилонское царство (Халдею), но при этом он не торопился выступить против него. Кир стал настойчиво и последовательно проводить изоляцию Вавилонии от внешнего мира. Это быстро дало желаемые результаты — ещё совсем недавно оживлённая торговля вавилонцев пришла в полный упадок, и их государственная казна стала быстро пустеть. Среди населения, особенно торговых слоёв, началось брожение.
В 539 году до н.э. персидский царь, собрав значительные военные силы, выступил в завоевательный поход против Вавилонии. В том же году в сражении под стенами столицы он разбил войска царя Набонида, во главе которых не оказалось способных полководцев. Осада многолюдного крепостного города с его циклопическими стенами продолжалась около двух лет. Халдеи успешно отбили первый вражеский штурм.
В конце концов по приказу Кира от города были отведены воды Евфрата (были открыты шлюзы, и тем самым понизился уровень реки под городскими стенами). По обмелевшему руслу реки персидские войска устремились на штурм той части крепостной стены, где их не ждали. Военная хитрость персидского царя застала защитников Вавилона врасплох. Царь Набонид был пленён и отправлен в почётную ссылку, а его сын-наследник Валтасар погиб в бою.
Так описывает взятие города-крепости Вавилона древнегреческий историк Геродот. Он утверждает, что часть описываемых событий он видел сам, а часть узнал из достоверных источников или слышал от других. Найденный же в конце XIX века летописный цилиндр сообщает, что персидская армия вступила в Вавилон без боя.
Окончательно овладеть Вавилонским царством Кир смог только благодаря поддержке торговых людей и жрецов этой страны. В трудное время военных опасностей они изменили собственному монарху и безропотно подчинились завоевателям. Вавилонское (Халдейское) царство вошло в состав Персидской державы.
В Вавилонии повторилась та же картина, что и в завоёванной персами Лидии. Кир вновь милостиво отнёсся к побеждённым вавилонцам, которые, по сути дела, покорились ему без большого сопротивления. Почти бескровное овладение Вавилонией позволило захватить персам также Палестину и Сирию.
Персидский завоеватель продолжал гуманно относиться к населению стран, признавших его господство. Среди прочего, он разрешил иудеям и финикийцам, пленённых вавилонцами за пятьдесят лет до этого во время похода Навуходоносора, вернуться на свою родину. Он разрешил иудеям восстановить разрушенный город Иерусалим. Тем самым Иудея превращалась в удобный плацдарм для намечавшегося завоевания богатого Египта. Вернув на родину пленённых финикийцев, Кир рассчитывал привлечь на свою сторону приморские города-государства Финикии, которые в случае войны Персии против Египта могли ему помочь своим многочисленным флотом.