约公元前4000年在希腊语称之为“美索不达米亚”者，即底格里斯河和幼发拉底河之间的地区，已经产生了文明。大约公元前3000年，两河之南的苏美尔人已经建立了数以十计的城邦，这是迄今为止所知道的人类最早的文明。
古代两河流域文明曾被人遗忘，直至19世纪的考古发掘才为世人所重知。19世纪，德国哥丁根大学希腊文教授格劳特芬德，花费许多年读懂了波斯石刻上的40个楔形文字中的8个字，并运用这8个字读出了石刻上3个国王的姓名。1835年，英国人亨利·罗林生以同样的方法，释读了那8个字，此后，又释读了贝希斯敦石崖上的碑文。1848年至1879年，欧洲人在原亚述首都尼尼微进行了一次重大的发掘，挖掘出了2万多片刻有楔形文字的泥版和各种文物5万多件。这些重大发现为进一步了解古代两河流域的文明奠定了基础。
根据考古资料推断，古代两河流域的文字体系源于苏美尔。约公元前4000年代后期，苏美尔人创造了图画式文字。但是，这种文字有它的局限性，只能表达某种具体事物，无法表示抽象的概念。公元前3000年代，这种文字发展成为楔形文字。因为苏美尔人通常用平头的芦竿在未干的软泥版上印刻出字迹，所以它的笔迹非常自然地都呈楔形。最初，苏美尔人把楔形文字刻成直行，自左上方下行。后来为书写得更清晰和避免已写出的文字受损，书写的方式改为每行由左至右，各行自上而下。
楔形文字是由一个音节符号和音素符号组成的集合体，睁禅总计约350个。它的结构相当复杂，在阿卡德时代应用的领域日渐拓宽。巴比伦和亚述帝国兴起后，楔形文字不仅是实体事物的记录，也发展成为供宗教、历史、文学、法律等方面使用的文字。它对周围地区的影响很大，埃兰人、赫梯人、胡里特人、米坦尼人都先后采用楔形文字表达自己的语言。
两河流域很早就有了文学作品，在苏美尔时期，文学作品以诗作为多。作品的主题大多是礼赞神祗、英雄和君王，具有宗教和神话的性质。例如，苏美尔人有一则关于洪水的神话传说，后来被犹太人吸收编造了洪水和诺亚方舟的故事，再现在《圣经·旧约全书》的《创世纪》中，后经基督教的宣传，诺亚方舟的故事广为流传。
在巴比伦时代，大部分文学作品采用阿卡德语，但作品的形式与内容、主题与情节和风格仍是苏美尔时代的，无非已经过加工雕琢，增加了新的风采。
在这一时期也有一些反映阶级矛盾、寓意深刻的佳作，如《主人与奴隶的对话》描写了主人和奴隶孙链就12个问题进行的简短对话，揭示了在奴隶制度下奴隶无法生存的哲理。
自然科学在古代两河流域已有发展，早在苏美尔·阿卡德时代，天文学就已产生了。苏美尔人在观察月亮运行规律的基础上编制了太阴历。他们把两次新月出现的期间作为一个月，每月包括29天或30天。又根据月的圆缺和季节变化，分一年为12个月，6个月为29天，6个月为30天，每年354天。它比太阳年(365日5时48分46秒)短11天多的时间，为此设置闰月加以调整。古巴比伦时期，人们已能将肉眼看到的星体绘成星图，能够把恒星和五大行星区别开来，还观测出太阳在恒星背景上的视运动轨道——黄道。以后，巴比伦人又区分出黄道上的12个星座，绘出黄道12宫的图形。新巴比伦时代，人们能够预测日蚀、月蚀和行星的会冲现象。同时，人们又以7天为一周，分别以日、月、火、水、木、金、土七个星的名字作为星期日至星期六的名称。置闰的方法也在进步，至公元前6世纪后期，巴比伦人已先后有了8年3闰和27年10闰的规定。然而，两河流域的天文知识是与占星术紧密相连的，带有许多迷信的成分。
在苏美尔时代，人们对1至5的数字已有了专门的名称，对“10”这个数也有了特别的符号。在巴比伦时代已兼用10进位和60进位，并把60进位法用于计算周天的度数和计时，如周天的度数为360，1小时为60分，1分为60秒等。古巴比伦人已经掌握四则运算、平方、立方和求平方根、立方根的法则，还会解三个未知数的方程式。他们得出的圆周率常数为3与今天使用的圆周率非常接近。总之，两河流域在天文、历法和数学方面的成就不仅对当时各国产生了影响，而且也对希腊、罗马产生了影响。以7天为一周，分圆周为360度等，直到现在仍在沿用。
在建筑艺术方面，约公元前4000年代中期，苏美尔地区就存在多则早孙级寺塔的建筑。由于两河流域石材匮乏，这种寺塔都用生砖(土坯)筑成，下面的几级都没有内室，实际上是一层层台基，只有最上一层才有一个小神庙。这时已经存在砖砌的拱门和圆柱。苏美尔·阿卡德国家形成以后，又有了王宫建筑。苏美尔人发明的拱门、拱顶和穹窿结构经常用于陵墓和房舍建筑，这极大地影响了两河流域地区的建筑。
亚述帝国时期出现了大规模的王宫建筑，王宫建筑在高大的台基上，有许多宫室和附属建筑。王宫大门两边墙上有一些人面兽身的浮雕，门口还有一对3米或4米高的人头、狮身、鹫翼、牛脚的雕像。王宫墙壁上装饰着许多浮雕，一般都表现国王出征、狩猎和宫廷生活的题材。亚述人喜欢塑造临危不惧、冷静果敢的猎手、陷入绝境而凶相毕露的狮子、身受重伤仍垂死挣扎的野兽。这些浮雕中的人物一般表现得比较呆板，而动物则刻画得生动逼真。新巴比伦时期，城廓和王宫修筑得更加壮丽。主要城门两边和王宫墙壁上都用彩色琉璃砖镶出种种动物的图案。这一时期最有名的建筑是王宫里的“空中花园”，它实际上是一座土台，最高处达25米。由于两河流域的建筑多用砖、土为材料，所以不能像埃及的金字塔和神庙那样坚固耐久，长久遗存。
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