Весной 539 года до н. э. персидская армия двинулась в поход на Вавилон. В этот критический момент Угбару, наместник области Гутиум (вавилонская провинция к востоку от среднего течения Тигра), изменил царю Набониду и перешёл на сторону Кира. По словам Геродота, при переправе через Гинд (современная Дияла) одна из священных белых лошадей утонула в нём. Кир в гневе приказал наказать реку. В течение лета персидское войско прорыло 360 каналов и отвело воду из реки. Видно, Кира задержали гидравлические сооружения Навуходоносора, приведённые в действие и залившие водой всё пространство от Описа и Сиппара к югу, отрезав таким образом Вавилон от вражеской армии. То, что Геродот представляет как самодурство, было, очевидно, вполне обдуманным предприятием — снова спустить воду с затопленной местности и сделать её проходимой. Только после этого Кир продолжил поход. Вавилонское войско стало лагерем у города Опис, прикрывая переправы через Тигр. Но Кир в 20-х числах сентября неожиданно обошёл Мидийскую стену с запада. Посланный Киром корпус Угбару осадил Вавилон, в котором находился сильный гарнизон во главе с сыном Набонида Валтасаром. Сам же Кир ударил по армии Набонида, стоящей у Описа, с тыла. В сражении у Описа, происшедшем в самом конце сентября, вавилонская армия потерпела жесточайшее поражение и бежала. Набонид с немногими приближенными хотел отступить к Вавилону, но путь туда был отрезан войсками Угбару, и Набонид укрылся в Борсиппе. 10 октября был захвачен без боя Сиппар, а 12 октября, согласно вавилонским источникам, Угбару вступил в Вавилон. (Согласно Геродоту, Кир велел отвести реку и вступил в город по её руслу, в то время как жители справляли какой то праздник, но современная событиям Вавилонская хроника ничего об этом не говорит, и поэтому многие историки считают сообщение Геродота недостоверным.) Валтасар, пытавшийся оказать сопротивление персам в центре города, был убит. Угбару, наместник Гутиума, командовавший персидскими войсками, вступившими в Вавилон, немедленно принял меры по предотвращению в городе резни и грабежей. В хронике говорится: «До конца месяца (ташриту, то есть до 26 октября 539 года до н. э.) щиты страны Гутиум окружали ворота Эсагилы. Ничье оружие не было положено в Эсагиле и святилищах, и ритуал не был нарушен». Набонид, узнав о падении Вавилона и гибели Валтасара, покинул Борсиппу, вернулся в Вавилон и добровольно сдался в плен. 29 октября 539 года до н. э. в Вавилон вступил и сам Кир, которому была устроена торжественная встреча. «3 арахсамну (29 октября), — продолжает хроника, — Кир вступил в Вавилон. (Улицы) перед ним были устланы ветвями. Мир в городе был установлен. Кир объявил мир всему Вавилону». Пленный Набонид без лишнего шума был отправлен в почётную ссылку в отдаленную Карманию на востоке Ирана, где и окончил свои дни.

В официальной вавилонской историографии дело было изображено так, будто вообще никакой войны с Киром не было, а если и имели место отдельные инциденты, вроде битвы при Описе, то в них повинен был только Набонид, но никак не Вавилон. Кир охотно принял эту версию вавилонской олигархии, ибо она вполне отвечала его интересам, и постарался подкрепить её делами. Жителям вавилонских городов были обещаны мир и неприкосновенность. Сначала Кир назначил царём Вавилона своего старшего сына и наследника Камбиса, но спустя несколько месяцев, видимо, по политическим мотивам, Кир отстранил сына и короновался сам.

Захватив Месопотамию, Кир формально сохранил Вавилонское царство и ничего не изменил в социальной структуре страны. Вавилон стал одной из царских резиденций, вавилоняне продолжали занимать преобладающее положение в государственном аппарате, а жречество получило возможность возродить древние культы, которым Кир всячески покровительствовал. В надписях на кирпичах Кир выступает и почитателем вавилонских богов, и украсителем Эсагилы и Эзиды. Более того, власть Кира в Вавилоне не рассматривалась как чужеземное господство, так как он получил царство «из рук бога Мардука», исполнив древние священные церемонии. Кир принял титул «царь Вавилона, царь стран». Однако фактически Вавилония из самостоятельного царства превратилась в сатрапию Державы Ахеменидов и лишилась всякой независимости во внешней политике, да и внутри страны высшая военная и административная власть теперь принадлежала персидскому наместнику (по-вавилонски bel-pahati — «областеначальник») Вавилона и Заречья, то есть всей Нововавилонской империи. Этим «областеначальником» Кир назначил Угбару (или Губару), которого греки звали Гобрием.

После захвата Вавилонии все западные страны до границ Египта — Сирия, Палестина и Финикия — подчинились персам добровольно. Торговые города Финикии так же, как вавилонские и малоазийские купцы, были заинтересованы в создании большого государства с безопасными дорогами.

Народам, которые были насильно поселены в Месопотамию вавилонскими царями, Кир разрешил вернуться в свои страны. Возврашение в Палестину иудеев, которых некогда увел в плен вавилонский царь Навуходоносор, было частным случаем этих общих мер Кира. Книга Ездры сохранила нам подлинный указ Кира, данный в Экбатане в первый же год его вавилонского царствования в 538 г. до н. э. В этом указе иудеям разрешается строить Иерусалимский храм по предписанным размерам и повелевается вернуть похищенные Навуходоносором храмовые сосуды. Вместе с храмом и сосудами Иерусалим получил и своего правителя, потомка давидовой династии Шешбацара, которому однако, не дали полного царского титула, а только княжеский, и который подчинялся наместнику «Заречной области».

В это время появился документ, написанный по-вавилонски и для вавилонян, — «Манифест Кира». Составили его проперсидски настроенные олигархи. В довольно пространном предисловии «Манифеста» живописуются «безобразия» Набонида и обиды, которые он причинил богу Мардуку, храму Эсагиле и Вавилону. Когда терпение бога Мардука иссякло, он отыскал Кира, царя Аншана, вручил ему власть над народами и, наконец, вверил его заботам Вавилон, народ которого встречал его с великой радостью как избавителя от нечестивого царя Набонида. В конце «Манифеста» помещена молитва к вавилонским богам о ниспослании благополучия Киру и его сыну и наследнику Камбису. В этом обрамлении помещен собственно текст манифеста, написанный от лица Кира.

Он открывается полной титулатурой Кира, составленной на вавилонский лад: «Я — Кир, царь множеств, царь великий, царь могучий, царь Вавилона, царь Шумера и Аккада, царь четырех стран света, сын Камбиса, царя великого, царя Аншана, потомок Теиспа, царя великого, царя Аншана, вечное царственное семя, правление которого любят боги Бэл и Набу, владычество которого приятно для их сердечной радости». Затем в «Манифесте» от лица Кира говорится, как его многочисленные войска мирно вступили в Вавилон. После этого следует перечисление мероприятий, осуществленных Киром, которые полностью подтверждаются другими источниками. Кир претендовал на роль царя-освободителя, и он выполнил свои обещания, данные покорившимся его власти народам. Случай в истории исключительный, но вполне объяснимый. Стремясь к мировому владычеству, Кир хорошо понимал, что при помощи одного персидского войска только насилием ему этой цели не достичь. Он понимал также, что страны древней цивилизации, ставшие объектом персидских завоеваний, поражены смертельным недугом и готовы видеть в нём своего спасителя и исцелителя. Кир умело использовал это обстоятельство, чем и объясняются как его поразительные военные успехи, так и репутация «отца» и «освободителя», которая закрепилась за ним в памяти не только персов, но и покоренных им народов, в том числе вавилонян, греков и иудеев.

Кир в «Манифесте» говорил: «От [……] до Ашшура и Суз, Агаде, Эшнунны, Замбана, Метурну, до пределов страны Кути, городов [по ту сторону] Тигра, жилища которых были основаны в глубокой древности, богов, живших в них, я вернул на их места и устроил их вечные жилища. Я собрал всех их людей и вернул в их селения. И богов Шумера и Аккада, которых Набонид во гневе владыки богов перенёс в Вавилон, по приказанию бога Мардука, великого господина, я благополучно поместил в их чертоги, жилище радости сердца». Осуществление этой меры, имевшей первостепенное значение для судеб создаваемой им Персидской империи, Кир начал тотчас же после завоевания Вавилона. «С кислиму по аддару-месяц (с 25 ноября 539 по 23 марта 538 года до н. э.) боги страны Аккад, которых Набонид свёз в Вавилон, вернулись в свои резиденции», — сообщает вавилонская хроника. Этот шаг вызвал всеобщее одобрение вавилонян. Он символизировал возврат к миру и привычному порядку.