两河流域的古代文明发展大致经历了以下几个主要阶段：最早的是苏美尔文明（约公元前4500年-前2334年），随后是阿卡德王国（约前2334-前2154年），接着是巴比伦王国（约前1894-前1595年）和迦勒底帝国（约前626-前539年）。这些文明在政治、宗教和社会结构方面都有显著的发展，对后世的西亚及地中海地区文化产生了深远影响。
苏美尔王朝
苏美尔人是最早在两河流域创造出文明的族群，自公元前4000多年前，他们在此地南部建立了多个城邦国家，其中乌尔、乌鲁克、基什、拉伽什等尤为突出。
阿卡德帝国
阿卡德人居住在两河流域北部，公元前24世纪中叶，阿卡德城邦国王萨尔贡一世击败了苏美尔人，首次统一了两河流域，建立了阿卡德王朝。
苏美尔复兴时期
公元前22世纪末，苏美尔人再度崛起，重新统一了两河流域，建立了“乌鲁克第五王朝”和“乌尔第三王朝”。
乌尔第三王朝
乌尔的第三个王朝虽然由苏美尔人统治，但它却是一个强大且中央集权的国家，类似于阿卡德王国或未来的巴比伦王国，乌尔第三王朝末期，王权衰弱，各地分裂，外来阿摩利人不断入侵，埃兰人的入侵对乌尔第三王朝造成了致命打击，国王伊比辛（约公元前2026年至公元前2004年在位）战败并被俘虏，乌尔第三王朝至此灭亡。
古巴比伦王国
公元前21世纪末，两河流域西部的阿摩利人入侵并摧毁了“乌尔第三王朝”，公元前1894年，阿摩利人以拉底河边的巴比伦城为首都，建立了巴比伦王国（亦称为“古巴比伦王国”），随后，人们将阿摩利人称为巴比伦人。
赫梯人
古巴比伦王国统治了两河流域长达300年，直至公元前1595年被赫梯人征服，古巴比伦王国时期是古代两河流域文化最为繁荣的时期，汉穆拉比（约公元前1792年至公元前1750年在位）是这一时期最为著名的统治者之一。
加喜特人与胡里安人
在巴比伦王国灭亡后的数百年间，起初来自东部山区的加喜特人在两河流域建立了国家，后来胡里安人在此地建立了米坦尼王国。
亚述人
公元前3000年左右，亚述民族开始在底格里斯河上游发展壮大，他们以亚述城为中心，故被称为亚述人，到了公元前20世纪，亚述人建立了国家，并逐步向外扩张，在公元前13世纪，他们击败了米坦尼王国，并占领了两河流域中部的区域。
迦勒底人
公元前8世纪，亚述帝国扩张至亚洲西部，形成了一大亚述帝国，亚述帝国国王萨尔贡二世在底格里斯河上游修建了新的首都尼尼微，亚述人在公元前671年还占领了埃及，到了公元前612年，亚述帝国最终被新兴力量迦勒底人所推翻。
新巴比伦帝国
迦勒底人摧毁亚述帝国后，在巴比伦建立了自己的帝国，因此被称为“新巴比伦帝国”，尽管其历史短暂，只存在了约70年，但它在公元前538年被波斯帝国征服，从而标志着两河流域古代历史的终结。
在古典时代，两河流域的城邦文明深受河谷两侧游牧部落的影响，由于这些地区的交通不便，远程商业活动十分有限，直到古典时期，两条河流才成为罗马帝国与波斯帝国之间的天然分界线，尽管如此，战争频仍，缺乏明显的自然界限。