与此同时，巴比伦的君主纳波尼德（Nabonidus）和他的儿子伯沙撒（Belshazzar）也在积极备战。然而，巴比伦内部的政治动荡和民众的不满情绪，使得他们的准备工作显得不够充分。居鲁士的军队在经过多年的征战后，士气高昂，战斗力强，而巴比伦的军队则在长期的和平中逐渐松懈。
公元前539年，居鲁士终于发起了对巴比伦的最后攻势。他巧妙地利用了幼发拉底河的水势，通过挖掘渠道引水，使河水变浅，从而让波斯军队顺利渡河，攻入巴比伦城。在几乎没有遭遇强烈抵抗的情况下，居鲁士顺利占领了巴比伦。与之前的征服者不同，居鲁士采取了一系列仁政措施，尊重当地的文化和宗教信仰，甚至释放了被囚禁的犹太人，允许他们返回故乡重建圣殿。这一举措不仅赢得了被征服民族的尊敬，也使居鲁士被誉为“上帝的牧人”。
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作为新巴比伦帝国的末代君主，那波尼德斯（Nabonidus）从继位起就面临着内外交困的局面。强势君主尼布甲尼撒二世（Nebuchadnezzar II）给他留下了一个横跨地中海到波斯湾之间的庞大政体，同时也为后来者带来了几乎环绕四周的众多对手。在波斯帝国突然崛起之前，巴比伦人就已经在北方的亚述平原上，面临着米底帝国的挑战。双方曾在掀翻亚述帝国霸权的起义中合作愉快，但随着共同敌人的败亡，两股新势力间的冲突很快孕育而生。两河北部的战略要地成为首当其冲的目标。结果，还在米底军中服役的居鲁士，在这里第一次体会到了战胜敌人的喜悦。
丢失战略要地的巴比伦人，在居鲁士领导的波斯起义中再次出兵。他们北上亚述的军队成功地吸引了米底宫廷的注意，分散了其兵力。然而，那波尼德斯未曾料到，新的波斯帝国比过去的米底人更具扩张性。分布在他们四周的古国埃兰、亚美尼亚、卡帕多西亚和吕底亚，迅速被波斯帝国征服。任何稍有政治常识的人都明白，波斯军队的南下只是一个时间问题。
那波尼德斯的另一个困扰发生在巴比伦城内部。自汉莫拉比（Hammurabi）时代开始，掌握宗教特权的祭祀阶级就是巴比伦当地最顽强的一支势力。祭祀阶层与军事贵族之间的矛盾，经常帮助外敌从内部蛀空权力的根基。即使有尼布甲尼撒时代迁入的大量外族人，国王依然无法树立起可以与祭祀阶层对抗的核心力量。
心灰意冷的那波尼德斯甚至诉诸于扶持新的宗教势力。他相中了南方沙漠边缘地带的新教派，后者的信徒基本上是与迦勒底征服者同出一系的阿拉米人。结果，堂堂巴比伦国王，经常远离自己的王城，委身于西南方的纳巴泰城市。那里是古代乳香贸易的重要中转站，可以为巴比伦提供巨额收入。因此，他不断给那里的神庙捐款，并鼓励当地祭祀在巴比伦之外的很多城市布道。
如果没有外力的强势打断，那波尼德斯的计划可能会收获成功。但掌握财富与关系网的巴比伦土生祭祀们，并不会坐以待毙。他们对那波尼德斯的政策持强烈反对态度，认为他背离了传统的宗教和文化。祭祀阶层的反对不仅削弱了那波尼德斯的统治基础，还加剧了国内的政治动荡。
与此同时，波斯帝国的崛起和居鲁士的军事扩张，使得巴比伦的外部威胁日益增大。居鲁士的军队在短时间内征服了多个强国，迅速扩张了波斯帝国的版图。波斯军队的南下已经成为不可阻挡的趋势。那波尼德斯虽然意识到了这一点，但内部的分裂和外部的压力使他难以集中力量应对波斯的威胁。
公元前540年秋季，居鲁士大帝已经完成了对亚洲各周边区域的战事，并为对巴比伦的战争筹备了大量粮草物资。一支来自五湖四海的部队围绕波斯人的核心力量被征集起来。这些举动显然也逃不过南方巴比伦人的眼线。
经过将近12年的打拼，波斯帝国军队的作战模式在当时基本定型。以步兵起家的本族军队，由大量熟练使用复合弓与投矛的山地步兵组成。这些步兵还配有盾牌、战斧和短剑，帮助进行肉搏。在战场上，这些波斯步兵习惯于组成10人纵深的方阵横队，前5名士兵负责肉搏，后5名士兵进行投射掩护。与他们装备类似的米底人、希尔卡尼人通常布置在其左右。希腊人和亚述人重步兵则成为重要的近战补充。
相比之下，波斯骑兵的数量不多，战斗力也不算强。居鲁士军队中的骑兵主要由米底人和更为北方的游牧部落来担任。他们受斯基泰骑兵影响，广泛装备了致命的草原复合弓。精英骑兵则装备全套护甲，并会给自己的战马也配备当胸一类的护具。他们既可以用长矛和战斧近战，也可以投掷标枪并弯弓射箭。这是南方巴比伦人军中所没有的重要军事力量。
除此之外，不少来自小亚细亚山区和内亚腹地的军队也在居鲁士麾下。他们中既有善于使用标枪作战的游骑兵步兵，也有同样使用复合弓与短矛的中亚弓箭手。更有各自民族领袖提供的骑兵做补充。许多装备不佳的苦力与差役以工兵身份加入军队，为新一任世界之王打造攻城器械、修筑交通要道。支撑整支大军后勤的畜力队伍，从扎格罗斯山脉以东的埃克巴坦，绵延到幼发拉底河以西。
巴比伦人的军队则要传统的多。作为从南方荒漠地带带来的蛮族后裔，建立王朝的迦勒底人在实际上接受了一整套亚述帝国的军事制度。主力重步兵使用巨大的盾牌掩护正面，并以纵队百人厚度的纵队发起冲击。精锐的披甲弓箭手在两翼进行攻击，并得到轻装长矛手的保护。巴比伦本地以盛产弓箭手而着称，因而在他们的军中也不缺乏大量的投射火力。
但和波斯人占据优势的骑兵部队相比，巴比伦军队的同类型部队就非常不堪重用了。作为弥补侧翼机动力量不足的老办法，亚述人留下的驷马重型战车依然会被委以重任。这让他们在野战中非常吃亏。
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当然，从尼布甲尼撒二世的时代开始，巴比伦人就一直在用其他手段解决自己骑兵羸弱的困境。类似中国古代长城的防御工事，从东面的底格里斯河岸一直修筑到西面的幼发拉底河为止。这段长城将美索不达米亚一分为二。因最初被用于抵御米底帝国的骑兵队伍，被形象地称呼为米底长城。在整段工事的前面，还有一条方便内陆水运而开挖的运河掩护。
居鲁士大帝显然不希望自己的军队在攻坚战中磨损太多。尽管他手中不乏来自吕底亚、希腊和亚述的工程师，却还是别出心裁地进行了分进合击。这一年，波斯军队开始在伊朗高原西北部的金德斯河进行了大规模土工作业。金德斯河是底格里斯河的重要支流，居鲁士原本计划让军队用皮筏和架桥的手段渡河，但在自己轻率地骑马入水后，发现河水过于湍急。于是他下令在两岸挖出了多达360道壕沟，将河水逐渐排出去。整个工程期间，另有一支由仆从为主的波斯军队从北方直接南下，同巴比伦人的守军沿着米底长墙对峙，吸引对方的注意。
第二年，即公元前539年的秋季，完成土工作业的波斯军队迅速越过金德斯河南下。驻守在米底长墙一带的守军惊慌失措，处境就像两千多年后被德军迂回了马奇诺防线的法国人一样无助。居鲁士的部队渡河南下后，很快抵达了他们的第一个目标——与米底长城防线隔河呼应的欧比斯城。这座城市是巴比伦人防御长墙防线侧翼的一个重要据点。由于担心波斯军队绕开这里，守军主动出城迎战。
之后发生的欧比斯战役，成为了一场一边倒的屠杀。巴比伦军队以传统的亚述军阵布置，用战车和轻骑兵掩护侧翼，利用重步兵的中心突破来击穿对方防线。但笨重的战车很快就遭到波斯与米底骑兵的夹击，并被迅速击败。掩护战车的轻骑兵也被伊朗铁骑们杀得四分五裂。波斯步兵的各种中远程火力，成功压制了巴比伦人。当轻步兵被击溃后，坚持作战的重步兵纵队就陷入了波斯各族部队的包围。纵然有重甲和大盾牌的护卫，也无法在体力消耗后继续维持严密的队形。
最终，欧比斯城的守军主力被屠杀殆尽。米底长墙的侧翼防御被彻底击溃，整段工事上的守军都成了瓮中之鳖。那波尼德随即下令全军从北方撤退，自己则带着主力军队北上救援。居鲁士则成功越过底格里斯河，同仆从军们汇合，迅速向南追击。