До нас дошло также интересное описание Геродотом укреплений Вавилона, относящихся к концу VII века до н. э. Данные, которые приводятся в этом описании, подтверждены раскопками. Теперь известно, что Вавилон был окружен тремя стенами толщиной соответственно 7, 7,8 и 3, 3 метра. На одной из стен было около трехсот башен, расположенных одна от другой на расстоянии сорок четыре метра. Стены опоясывал глубокий и широкий ров, наполненный водой. Каждая стена имела большое количество ворот, окованных медью. Город Вавилон был самой мощной крепостью своего времени.

«Наказание реки», которое Геродот представляет как самодурство, было на самом деле вполне обдуманным предприятием – снова спустить воду с затопленной местности и сделать её проходимой. Только после этого Кир продолжил поход. Вавилонское войско встало лагерем у города Опис, прикрывая переправы через Тигр. Но Кир в 20-х числах сентября неожиданно обошел 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 в тыл стоящей у Описа армии Набонида. В сражении у Описа, которое произошло 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. Как пишет Геродот, 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.

Согласно Библии, в ночь взятия Вавилона персами на устроенном Валтасаром последнем пиру, он святотатственно использовал для еды и напитков священные сосуды, вывезенные его отцом из Иерусалимского храма. В разгар веселья на стене появились начертанные таинственной рукой слова на иврите: «мене, мене, текел, упарсин». Пророк Даниил истолковал надпись, в переводе с иврита означающую: «Исчислено, исчислено, взвешено, разделено», – и расшифровал ее как послание Бога Валтасару, предсказав скорую гибель ему и его царству. В ту же ночь Валтасар погиб.

Угбару, наместник Гутиума, который командовал персидскими войсками, вступившими в Вавилон, немедленно принял меры по предотвращению в городе резни и грабежей. 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 город вступил и сам Кир, которому была устроена торжественная встреча. «3-го 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 события были изображены так, будто вообще никакой войны с персами 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 от власти и короновался сам.