I Mesopotamien, landet mellem floderne Eufrat og Tigris, overtog semitisktalende folk, der efterhånden var kommet til at dominere landet, en stor del af den sumeriske religions mytologi og guder. Fra Hammurapis (o. 1700 f.v.t.) oldbabylonske rige til den persiske erobring i 539 f.v.t. domineredes landet skiftevis af babylonerne i syd og assyrerne i nord. Den babylonsk-assyriske religion kender vi gennem talrige tekster i kileskrift på brændte lertavler: Store mytologiske digtninge som skabelsesmyten Enuma elish, Atrahasis-myten om menneskets skabelse, det store Gilgamesh-epos, der blandt andet indeholder en art syndflodsmyte, og talrige hymner til de enkelte guder. Hertil kommer andre ritualtekster og en omfattende varselslitteratur.
De sumeriske guder får undertiden semitiske navne, undertiden beholder de deres sumeriske. Anu (sumerisk An) er himmelguden, men i kilderne træder han noget tilbage for sin søn Enlil, vindens og bjergenes gud, der med sit mægtige ord hersker over himmel og jord og bestemmer skæbnen. Han kaldes ligefrem gudernes fader, og kongen har sin magt fra ham. Ea (sumerisk En-ki) hersker over ferskvandsdybet (Apsu) under jorden, hvorfra kilder og vandløb vælder frem. Han er renselsernes og i det hele taget ritualernes gud, der skænker kongen af sin visdom og hersker over varselsvæsenet. I Babylon ansås han for far til byens lokalgud Marduk, som er hovedpersonen i den babylonske version af skabelsesdigtet Enuma elish. Her besejrer han kaosuhyret Tiamat og bygger verden af hendes døde krop. Selv kommer han i besiddelse af skæbnetavlerne og får dermed kontrol med hele verdens skæbne. Han grundlægger Babylon og bliver også kongedømmets gud. Digtet oplæstes ved den babylonske nytårsfest, hvor man i optog og muligvis også i mere dramatiske optrin gentog denne mytiske sejr over kaos, og hvor Marduk fastsatte skæbner for det kommende år. Til denne fest førtes guder fra nærliggende byer i procession til Babylon, bl.a. Marduks søn, skriverguden Nabu fra Borsippa, der skulle medvirke ved udfærdigelsen af de nye skæbnetavler. I Assyrien spillede guden Assur en rolle, der svarer til Marduks, både i skabelsesdigtet og i nytårsfesten.
Af de øvrige guder må nævnes måneguden Sin (sumerisk Nanna) og solguden Shamash (sumerisk Utu), som også er rettens og retfærdighedens gud. Den store gudinde er Sins datter Ishtar (sumerisk Inanna), himmelens dronning og krigens og kærlighedens gudinde. I de mange hymner, der er rettet til hende, skildres hun som ophøjet netop ved sit dobbelte væsen som den, der skaber strid mellem mennesker, men også den, der bringer mennesker sammen. Hymnerne er ofte klagesalmer, der henvender sig til gudinden som den mægtige, men også barmhjertige, og brugerens elendighed i syndens hængedynd skildres i stærke vendinger. Et mytologisk digt fortæller om Ishtars færd til Underverdenen, hvor Nergal og hans gemalinde Ereshkigal, Ishtars søster, hersker over de dødes skumle og glædesløse opholdssted. Her bliver Ishtar fange, og imens forsvinder al frugtbarhed fra jorden. Det lykkes at få hende fri, men i mytens sumeriske version må hendes unge elsker Tammuz (sumerisk Dumuzi) til gengæld tilbringe halvdelen af hvert år i Underverdenen. Denne myte, der afspejler vegetationens cyklus, er beslægtet med den græske myte om Adonis og Afrodite, måske tillige med den frygiske myte om Attis og Kybele.