世界上最古老的文明发源于幼发拉底河和底格里斯河流域，在今天的伊拉克境内。希腊人称之为美索不达米亚，意思是两河之间的地方。在公元前数千年的漫长历史中，有好几个民族先后成为这里的主人，创造和继承了高度发达的文明。远在公元前5000年至前4000年，在两河下游地区就有苏美尔人定居。苏美尔文化在公元前2250年达到顶峰。公元前21世纪，苏美尔人的帝国被外族所灭。公元前19世纪中期，地处两河中部的巴比伦王国兴盛起来，开创了美索不达米亚文明的第二阶段。巴比伦人中最有名的是他们的国王汉谟拉比，他创制了一部以他自己名字命名的法典，史称《汉谟拉比法典》。公元前1650年，巴比伦帝国被蛮族入侵。大约在公元前1300年，底格里斯河上游的亚述人开始崛起。到公元前8世纪至前7世纪，其帝国达到鼎盛时期，这是美索不达米亚文明的第三阶段。亚述帝国于公元前612年被迦勒底人推翻，美索不达米亚文明进入最后阶段。这个阶段通常被称为新巴比伦时期。迦勒底人建都巴比伦，复兴巴比伦文化，但不到100年就被波斯人征服（公元前539年）。公元前330年，亚历山大大帝征服了美索不达米亚，希腊将领塞琉古统治该地区直到公元前1世纪，这个阶段史称塞琉古时期。美索不达米亚的政治史终结了，科学文化史却一直延续到了公元3世纪。苏美尔人、巴比伦人、亚述人和新巴比伦人（迦勒底人）共同创造了美索不达米亚的文明，有时人们也将之统称为巴比伦文明。
早在公元前3500年左右，苏美尔人就发明了象形文字，后来发展成表意和指意符号。到公元前2800年左右，象形文字基本成形，被称为楔形文字。这种文字往往刻在砖石或泥板上，笔画呈楔形，故而得名。中文又译“钉头字”或“箭头字”。苏美尔人发明的这种文字后为巴比伦人、亚述人、波斯人所采用。有许多刻在泥板上的楔形文书流传到了现在，同埃及纸草一样，是追溯古老文明史的珍贵材料。
古代美索不达米亚地区有着极为发达的天文学，许多学者相信，这是因为那里的占星术极为盛行。近百年来的文献考证更揭示出，在公元前最后几个世纪即塞琉古时期，美索不达米亚出现过高度发达的数理天文学体系，足以媲美同时代的希腊数理天文学。
美索不达米亚同埃及一样很早就开始发展农业，但自然条件与埃及很不一样。在埃及，尼罗河定期泛滥，相当规律，因此，埃及人的天文学也相对简单。在美索不达米亚，底格里斯河和幼发拉底河河水的涨落并不规律，确定一年四季全靠天象观测；此外，这里因缺乏天然屏障，外族频繁入侵，也给当地居民的精神生活蒙上了一层悲剧色彩。埃及人处世泰然、心平气和，而美索不达米亚人则阴郁消沉、疑神疑鬼，他们发达的占星术显然来自这种精神状态，而对天象的细致观测又使他们极大地发展了天文学。
大约在公元前4000年，苏美尔人就发明了阴历，以月亮的亏盈现象作为计时标准。到公元前2000年左右，他们已将一年定为12个月，大小月相间，大月30日，小月29日，一共354天。为了与回归年相吻合并将每年的第一天固定在春分时节，他们发明了置闰的方法。很长一段时间，置闰无一定规律，由国王根据情况随时决定。到了公元前500年，开始有固定的置闰规则。开始是8年3闰，后是27年10闰，最后于公元前383年定为19年7闰。这个19年7闰规则即著名的默冬周期，是由古希腊天文学家默冬于公元前432年宣布的。不过，美索不达米亚地区在那时实际上已经开始使用了。
美索不达米亚空气清朗，夜空繁星密布。僧侣们日复一日、年复一年地观测，并在泥板上记下他们的观察结果。早在公元前2000年，他们就发现了金星运动的周期性，至于太阳在恒星背景下的周年视运动自然早就知道。如果我们经常观察夜空就可以发现，夏夜天空的星星分布与冬夜是不同的。夏天纳凉时，我们可以看到银河以及居于银河两岸的牛郎星和织女星，而冬季的夜晚则可以看到天空最亮的恒星天狼星以及猎户座。这是因为，我们永远只能看到背对太阳那面天空的星星（白天被太阳光所笼罩），而由于地球的公转，不同的季节，背对太阳的那面天空也不一样。在旭日东升的时候，人们可以看到太阳在恒星背景上的位置，这样就能知道，太阳的位置是周年变动的。太阳在恒星背景下所走的路径，天文学上叫作黄道。古代美索不达米亚人早已经知道了黄道，并将黄道带划分成12个星座，每月对应一个星座。每个星座都以神话中的神或动物命名，并用一个特殊的符号表示，它们是：
这套符号沿用至今，形成了所谓的黄道十二宫，这是占星术的常用术语。当时的春分点恰在白羊宫，故在天文学上一直用白羊宫的符号表示春分点，虽然今日实际春分点已处在双鱼座，人们还是沿用了当初的符号。美索不达米亚人的计时方法对后世产生了很大的影响，例如将圆周分成360度，将1小时分成60分钟、1分钟分成60秒，以7天为1星期等，就沿用至今。
美索不达米亚最重要的天文学成就是编制了日月运行表，从表中可查出太阳月运行度数（以天球坐标计）、昼夜长度、月行速度、朔望月长度、连续合朔日期、黄道对地平的交角、月亮的纬度等。特别值得一提的是，使用日月运行表计算月食极为方便。目前发现的最早的日月运行表是公元前311年的。当然，在此之前很久，美索不达米亚人就可以预测月食了。一般还认为，远在公元前600年左右，迦勒底人就已经发现了223个朔望月为一个日食周期。日食是因月球正好处于日地之间，而月食是地球正好处在日月之间造成的，这两种现象都只有在日月轨道相交的地点才有可能发生，并且太阳和月球必须恰好都在这个交叉点上，也就是月球处在朔（月球在日地之间）或望（地球在日月之间）的时候。太阳在天空中的视轨道叫作黄道，月球的视轨道叫作白道，它们的轨道交点叫作黄白交点。太阳两次经过同一个黄白交点之间的时间叫作一个交点年。月球两次经过同一个黄白交点之间的时间叫作一个交点月。一个交点年的长度是346.62天，交点月的长度是27.21天，朔望月的平均长度是29.53天。这三个数字的最小公倍数差不多是6585.5天，也就是差不多223个朔望月，242个交点月，19个交点年。这个周期就是巴比伦人所发现的沙罗（Saros音译，在巴比伦文中是“恢复”的意思）周期。它可以用来预测日食。比如，2009年7月22日在我国长江流域发生了日食，那么，19年之后的2028年7月22日也会有日食发生，不过观食地点和食的类型会有所变化。沙罗周期的发现标志着相当高的天文学水平。
从考古发掘的泥板文书中，我们可以发现，美索不达米亚人有着更为丰富的数学知识。大约在公元前1800年，巴比伦人就发明了60进制的计数系统。他们有进位制的概念，但没有表示零的记号，因此，计数系统并不完善。他们会做加减乘除四则运算，其中除法是通过将除数化成倒数来完成的。在出土的泥板文书中，有不少倒数表。
巴比伦人知道如何解一元二次方程。泥板文书中记载过一个基本的代数问题，即求一个数，使它与其倒数之和等于一个已知数，用现代公式表示就是：
这表明他们已经知道了二次方程的求根公式。不过他们没有负数概念，只求正根。在公元前1600年的一块泥板上，记录着许多毕达哥拉斯三元数组（勾股数组），取值方法是令a=u-v，b=2uv，c=u+v，其中u，v是任取正整数，这样可得出a+b=c。据考证，此取值方法与希腊代数学家刁番都的方法相同。
巴比伦人的几何略逊代数一筹，许多几何问题都被化为代数问题处理。在求圆面积时，他们用3代替π，在另外的场合又用作为π值。在大约公元前1600年的一块泥板上，记有π的近似值。此外，巴比伦人还会求一些简单立体的体积。
像埃及人一样，巴比伦人虽然在天文观测上积累了相当丰富的经验知识，但他们的宇宙论却依然笼罩在神话的气氛中。对宇宙结构和起源的总体构思，尚未同日常的经验观察密切关联起来。巴比伦人设想地是浮在水上的扁盘，而天是一个半球状的天穹，覆盖在水上。天地都被水所包围，水之外是众神的居所。天上的星星和太阳都是神，每天出来走一趟。由于他们决定着世间的命运，所以他们的行踪，即天体的运动，尤其值得注意。占星术正是从天体运行轨迹中推测人间祸福，故而受到极大的尊崇。巴比伦的许多图书馆都藏有大量的占星术著作。
美索不达米亚的医学很不起眼，现存泥板文书中没有比公元前10世纪更早的医学文献。但《汉谟拉比法典》中曾经提到，如外科手术失败则砍掉医生的手，这就表明那里古代就有医生行业，而且不全是巫医。
美索不达米亚最值得一提的技术成就是它的冶铁术和城市建设。大概在新石器时代，原始人类就在打制石器的过程中发现了天然的金属。金、银、铜可能是最先被发现的，因为它们在自然界中以单体的形式存在。在新石器时代后期，由于天然铜即红铜也被用来制作工具，故出现了一个金石并用时代。红铜虽然便于打制，但不够坚硬，后来人们在长期的冶炼实践中发现，在铜中加入锡可增加铜的硬度。铜锡合金即青铜的使用，标志着人类进入了一个新时代。在美索不达米亚，大约在公元前4000年就出现了青铜铸件。
铁器的出现是科学史上更为重要的事件，因为铁的用途比铜更广，地球上铁矿石也丰富得多。自然界中没有作为单体的铁，除了偶尔从天上掉下来的陨铁。不过陨铁量少，而且大部分被视作圣物。要得到铁，必须从铁矿石中提炼。最早的炼铁术是赫梯人发明的，到了大约公元前1500年已相当普及。考古学家曾发现过一封埃及国王于公元前1250年写给赫梯国王的信及回信，信中要求赫梯人供应铁，回信中答应给一把铁剑，并要求用黄金交换。这表明当时埃及用铁不多，相反，在美索不达米亚地区已相当普遍。大约在同一年代，亚述人也从赫梯人那里学习了先进的冶铁技术。用铁制造的武器坚硬而又锋利，造就了强大的亚述帝国。在考古发现的公元前8世纪的亚述宫殿中，有大量各式各样的铁制工具和武器，表明亚述人已经进入了铁器时代。要知道，到今天为止，人类还可以说处于铁器时代，钢铁产量依然是一个国家国力的象征，而3000多年前，美索不达米亚人就已率先走进了这个文明时代。
古代美索不达米亚人很早就建立了城市，而且非常注重城市的建设。当时的巴比伦城有用石板铺成的宽阔马路，而且设有地下水道。新巴比伦城有三道城墙。主墙每隔44米就有一座塔楼，全城共有300多座塔楼。据希罗多德记载，该城有100多座城门，城门的门框和横梁都用铜铸造。城门高达12米，城墙和塔楼上镶嵌着许多浮雕。城内有许多巴比伦的传统建筑塔庙。塔庙由一层层台子堆垒而成，供奉神的庙宇建在最顶层。高台周围有斜桥和阶梯。巴比伦的塔庙建筑在公元前3000年就已出现。新巴比伦城内还有富丽堂皇的王宫，王宫的旁边是号称世界七大奇观之一的巴比伦空中花园。该花园是当时的国王尼布甲尼撒为他的一位过惯了山村生活的外国宠妃建的。在人工堆起的小山顶上，一层层栽种着各种植物和花卉，顶上有灌溉用的水源和水管。由于人工小山平地拔起，远看花园仿佛悬在空中。新巴比伦城中最高的建筑物是巴别塔。该塔始建于公元前3000年，后历经战火，毁而又修，修而又毁，如今只剩一堆瓦砾残垣。在新巴比伦时期，它曾被修整一新。希罗多德游览过这里，他写道：
在这个圣城的中央，有一个造得非常坚固，长宽各有一斯塔迪昂的塔，塔上又有第二个塔，第二个塔上又有第三个塔，这样一直到第八个塔。人们必须从外面循着像螺旋线那样地绕过各塔的扶梯走到塔顶的地方去。在一个人走到半途的时候，他可以看到休息的地方，这里设有座位，而到塔顶上去的人们就可以在这里坐一会儿休息一下。在最后的一重塔上，有一座巨大的圣堂，圣堂内部有一张巨大的、铺设得十分富丽的卧床，卧床旁边还有一张黄金的桌子……神常常亲自下临到这座圣堂，并在这个床上安歇。
这段赞词被刻在一块古碑之上，后人从通天塔旁边的马都克神庙内找到了这块古碑。它真实地描绘了这座古老的建筑奇观。
美索不达米亚与埃及不一样，非常缺乏岩石，但拥有丰富的沥青和高明的烧砖技术。中东盛产石油，沥青常常从地面上天然渗出，是天然的建筑材料，所以当地的建筑大都用砖和沥青构筑。聪明的美索不达米亚工匠建设了当时世界上最雄伟气派、富丽堂皇的城市。
