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 пленен и отправлен в почетную ссылку, а его сын-наследник Валтасар погиб в бою. Древнегреческий историк Геродот, описывая взятие города-крепости Вавилона, утверждает, что часть происходящих событий он видел сам, а о некоторых 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 завоеванной персами Лидии. Кир вновь милостиво отнесся к побежденным вавилонцам, которые, по сути дела, покорились ему без большого сопротивления. Почти бескровное овладение Вавилонией позволило персам захватить также Палестину и Сирию.

Персидский правитель продолжал гуманно относиться к населению стран, признавших его господство. Среди прочего, он разрешил иудеям и финикийцам, плененным вавилонцами за пятьдесят лет до этого во время похода вавилонского царя Навуходоносора, вернуться на свою родину, а иудеям восстановить разрушенный город Иерусалим. Тем самым Иудея превращалась в удобный плацдарм для намечавшегося завоевания богатого Египта. Вернув на родину плененных финикийцев, Кир рассчитывал привлечь на свою сторону приморские города-государства Финикии, которые в случае войны Персии против Египта могли ему помочь своим многочисленным флотом.