К ассирийскому периоду относится создание серии клинописных текстов "Муль Алин" (Звезда Плут). В них подводятся итоги всему предшествующему развитию астрономии. Помимо каталога созвездий и звёзд и списка дат их утренних восходов здесь есть список последовательных кульминаций некоторых звёзд и список "созвездий на пути Луны", включавший 18 созвездий, - прообраз современного Зодиака. Солнечный год подразделяется на четыре сезона. При этом утверждается, что Солнце за год проходит через те же созвездия, что и Луна за месяц. В состав "Муль Апин" входят также таблицы для определения времени днём по измерению длины тени гномона.

При последних ассирийских царях, правивших в VIII-VII вв. до н. э., астрология и астрономия относились к числу важных государственных занятий. Месопотамия была покрыта сетью храмов, где проводились астрономические наблюдения. О результатах наблюдений регулярно докладывали царю. До нашего времени дошло около 600 подобных сообщений из библиотеки Ашшурбанипала. Как и в предыдущие времена, особое внимание привлекали наблюдения затмений Солнца и Луны, которые считались дурными предзнаменованиями.

С середины VIII в. до н. э. астрономы начали фиксировать даты наблюдавшихся лунных затмений в особых списках. Именно знание моментов древних затмений позволило Гиппарху, Птолемею и Копернику с большой точностью вычислить длину года. Год восшествия на престол вавилонского царя Навуходоносора Клавдий Птолемей выбрал в качестве начальной точки своего астрономического календаря, потому что, как он пишет: "…это эпоха, начиная с которой древние наблюдения в целом сохранились вплоть до настоящего времени".

Традиция наблюдений и составления "дневников наблюдений" сохранялась вплоть до I в. до н. э. Кроме лунных затмений в "дневниках" систематически отмечали новолуния и полнолуния, положение Луны относительно звёзд, перемещения планет относительно Солнца и звёзд. Регулярно отмечались и даты равноденствий и солнцестояний, а также появления комет, падения метеоритов. Наблюдения месопотамских астрономов частично сохранили свою научную значимость и в настоящее время.

Об использовании месопотамскими астрономами каких-либо угломерных приспособлений сведений нет. Малая точность их наблюдений говорит в пользу того, что они доверяли глазомерным наблюдениям, определяя расстояния между светилом и "опорными" звёздами. Их главным астрономическим инструментом были водяные часы. Месопотамские астрономы делили сутки на 12 часов, называвшихся "беру", а каждый час делился на 30 "градусов времени" ("уш"). Один градус времени содержал ровно четыре наши минуты. С такой точностью астрономы и могли фиксировать время ночью.

После падения Ассирии наступил продолжавшийся 90 лет период возвышения Вавилона, пока в 539 г. до н. э. Кир Великий не включил Вавилонское царство в состав Персидского. В IV в. до н. э. Вавилон стал столицей недолговечной империи Александра Македонского, а после её распада находился под властью правителей из династии Селевкидов. Но, несмотря на исторические потрясения, месопотамская астрономия просуществовала до рубежа новой эры.

Самым выдающимся достижением месопотамской астрономии нововавилонского периода стало развитие математической теории, позволившей предвычислять движение Луны и планет с точностью, достаточной при проведении наблюдений невооружённым глазом. Культ небесного бога Ахурамазды, пришедший вместе с персидским завоеванием, стимулировал развитие астрологии и астрономических исследований.

Важнейшим астрономическим новшеством того времени стало введение эклиптики: большого круга в зодиакальном поясе, разделённого на 12 равных частей по 30° каждый. Этот круг служил математической шкалой для определения положений Солнца, Луны и планет. Каждая из этих частей, знаков зодиака, называлась именем соответствующего созвездия.

Приблизительно тогда же был открыт 19-летний календарный цикл, регулирующий вставки дополнительного лунного месяца. В Месопотамии ещё со времён шумеров использовался лунно-солнечный календарь. Месяц из 29 или 30 дней начинался вечером с появлением серпа молодой Луны. Год начинался весной и содержал 12 или 13 лунных месяцев. Дополнительный месяц вводился, чтобы связать начало года с временем созревания ячменя, что было важно и для соблюдения религиозных праздников. 19-летний цикл предусматривал добавление в определённом порядке семи тринадцатых месяцев на протяжении 19 лет, причём к началу очередного цикла Луна оказывалась в той же фазе. В Европе этот цикл называется метоновым, поскольку был предложен афинским астрономом Метоном в 433 г. до н. э., возможно не без влияния Вавилона.

В ту же эпоху на основе многолетних наблюдений был открыт сарос (греч. "повторение") - 18-летний период повторяемости лунных затмений. Это позволило сделать первые успешные предсказания лунных затмений. Были найдены и периодические закономерности движения планет.

Есть основания полагать, что к концу IV в. до н. э. теории движения Луны и планет уже были завершены. Их основой были вычислительные методы с использованием арифметических прогрессий. Однако почти ничего не известно о создателях этих теорий. Греческий географ Страбон, живший на рубеже новой эры, приводит имена знаменитых месопотамских астрономов - Кидинну, Габуриана и Селевка из города Селевкии. Первые два имени встречаются и в клинописных источниках.

Самый поздний клинописный текст астрономического содержания датируется 75 г. н. э. - временем, когда месопотамская цивилизация уже находилась в глубоком упадке. Однако достижения её астрономии стали достоянием учёных античного мира и сыграли важную роль в истории этой науки. Лунная теория Гиппарха, например, базировалась в значительной мере на вавилонских данных. Система античных созвездий вобрала многие из известных в Месопотамии. И сейчас мы всё ещё продолжаем делить большие круги небесной сферы на 360°, как это делали астрономы древнего Междуречья.