但毕竟巴比伦已丧失了独立地位，它变成了波斯强国统治下的一个地区，统治这里的是一个波斯人委派的总督（而且基本上是由波斯人担任总督），其第一任总督是古巴尔。但他很快就死了。公元前538年，居鲁士任命自己的儿子冈比西斯二世接任巴比伦尼亚的总督，并且成为巴比伦城和国家北部的国王，但巴比伦南部仍然由居鲁士自己管理。
居鲁士采用的波斯人与巴比伦联合的形式没有维持多久。公元前522年冈比西斯的统治被推翻之后，在大流士统治时期，特别是在各地反对大流士的两次起义被镇压以后，巴比伦尼亚的政治地位大为降低，它也同其他被波斯征服的地区一样变成了波斯帝国的一个行省（初时，该行省还包括叙利亚和巴勒斯坦地区，称为河外省），对内失去了行政权，行政权属于波斯人担任的行省总督，对外失去了外交权。它的居民变成了被征服者。
作为被征服者，巴比伦尼亚的很多土地被波斯人强夺走了，它们被分给了波斯王室家族、贵族、波斯驻防军的军人等。公元前5世纪后期，巴比伦尼亚有一个著名的商业高利贷家族——穆拉树家族，在这个家族的档案中，有不少关于该家族租佃波斯王室家族、波斯贵族和波斯驻防军军人土地的资料。如BE-9-32a这份资料中说：“200库尔大麦——这是穆拉树的后代恩利尔-舒姆-伊丁租佃国王土地应给国王的租金。”TUM147中说到该商家从河渠长官那里租来一块国王的乌兹巴拉（按：乌兹巴拉即国王的土地）。在国王的土地中有水渠，如据BE-9-73记载，穆拉树的后代租用了国王的水渠：“请将你从某某水渠税收管理人塔坦努那里租来的，由你拥有的国王水库里的水和与之相邻的国王乌兹巴拉租给我们。”CBS-129-39中说到穆拉树商家将从国王那里租来的水库里的水和与之相邻的国王的乌兹巴拉转租了出去。
在穆拉树档案中也有租佃波斯贵族土地并交纳租金的契约。例如文献BE-9-48记载了该商家租佃了波斯官吏巴加米利的长有树木的地和谷田。该商家租种的波斯官吏的土地，其租期有的长达60年。
希罗多德说，波斯驻巴比伦尼亚总督特里塔伊克美斯非常富有，
他每天的收入有整整一阿尔塔贝的白银（按：阿尔塔贝是波斯人的一种容量单位）。在他私人的马厩里，除去军马之外，还有800头种马和16000头牝马，即每20头牝马有一头种马。此外，他还拥有这样多的印度犬，以至平原上的4个大村庄，由于供应这些印度犬的食物，而被豁免了一切贡税。巴比伦的统治者就是这样富有的。[22]
驻在两河流域地方的波斯驻防军，是得到土地作为报酬的。他们往往把这些地出租出去，在穆拉树的档案中这些土地被叫作弓的份地等。如阿塔薛西斯一世统治第40年（即公元前465年）的一份契约说：
2明那白银、1袋面粉、3桶优质啤酒、3只牡羊——这是阿塔薛西斯统治第40年从以下田地上征收的租金：某人之子纳别恩的弓的份地、某人之子帕格的弓的份地、某人之子乌什帕塔尔的弓的份地、某人之子提利达特的弓的份地、某人之子贝尔-伊坦努的弓的份地、某人之子帕提什塔的弓的份地、某人之子利达特和帕达特的弓的份地。这些沙拉马地方的雅利安人的田地由穆拉树的后代恩利尔-舒姆-伊丁租佃。从他们（8人的名字）的这些田地上获得的租金——2明那白银、1袋面粉、3桶啤酒、3只牡羊，已由穆拉树的后代恩利尔-舒姆-伊丁交纳。（BE-9-74）
又如BE-9-75也说到在阿塔薛西斯统治的第40年，在两河流域的一个由印度人组成的波斯驻防军的居民点，穆拉树的后代租种乐拉巴沙之子卡尔杜苏等三人的弓的份地。
两河流域的居民要向波斯人缴纳沉重的赋税。据希罗多德说，巴比伦和亚述“要献给大流士1000塔兰特的白银、500名充当宦官的少年”。除了货币税以外，当然还得缴纳其他的税，如土地税、人头税、工商业税等。上面引用的BE-9-75的资料就说到从穆拉树的后代租佃的土地上征收“给国王之家的全部税收和礼物3.5明那白银”。希罗多德说：
在大王（按：即大流士）所统治的全部领土，除了交纳固定的贡物之外，还被划分成若干地区以便在每年的不同时期供应大王和他的军队以粮食。但是在一年的12个月当中，巴比伦地方供应4个月，亚细亚的所有其他地方供应另外8个月。从这一点就可以看出，就富足的一点而论，亚述相当于全亚细亚的1/3。[23]
在军队出征时，军队所过的地方，更要担负沉重负担。在希罗多德的《历史》一书中，讲了一个这样的例子，虽然它说的不是在巴比伦，而是在希腊，但当波斯军队路过巴比伦时，这种负担也会落在巴比伦人民的头上。希罗多德说，欢迎薛西斯的军队并且款待了国王本人的希腊人却遭到了极大的不幸，他们甚至被逐出了自己的家门。
原来当塔索斯人代表他们本土的市邑迎接和款待薛西斯的军队的时候，他们选出了市民中间最知名的人士、奥尔盖乌司的儿子安提帕特洛斯主持这件事，可是他在向他们报账的时候，他说他为了这次宴会花费了400塔兰特的白银。在所有其他的市邑，当事人所提出的报告也都和这差不多。原来设宴的命令既然在很久以前便已发下来，而这事又被认为十分重要，因此宴会大概是这样安排的。首先，当市民从到各处宣告的传令人那里一听到这件事的时候，他们立刻便把市内的谷物在他们中间分配，在好多个月里制造小麦粉和大麦粉。此外，他们为了款待大军，又不惜出最高的价钱买了最好的家畜来饲育，并把陆禽和水禽分别养在笼子里和池子里，他们还制造金银的杯盏、混酒钵以及食桌上的各种各样的用具。这些东西是为国王本人以及陪同他进餐的人们制作的。对于军队的其他人等，他们则只是供应食物罢了。在大军来到的时候，那里建起了一座帷幕供薛西斯本人居住，而他的军队便都住在露天里了。到用膳的时候，招待的人们真是忙得不可开交。而在大军尽情吃饱并在那里住了一夜之后，第二天他们就从地上撤卸了帷幕，收拾了一切道具用品，然后便开拔了，他们把所有的东西都带走，无论什么都没有留下来的。[24]
许多巴比伦尼亚的居民，尤其是手工业者被征调去为波斯人劳动。如大流士关于在苏撒修建王宫的铭文说：
这就是我在苏撒建造的王宫。王宫的装饰品是从远方运来的。掘深土地直达石床。当地基被挖成时，就充填砾石，在一些地方高40肘，另一些地方高20肘。在此砾石地基上，我建造了宫殿。所有挖土、充填砾石、制砖等劳动都由巴比伦人来承担。雪松是从称为黎巴嫩的山上弄到的。亚述人将其运到巴比伦。卡里亚人和爱奥尼亚人则将其从巴比伦运到苏撒。[25]
在波斯人进行对外战争的时候，例如希腊波斯战争时，两河流域的居民还得服兵役，为波斯人卖命。希罗多德说：
参加出征的军队的亚述人头上戴着青铜的头盔，它是人们用青铜以一种难于形容的异邦样式编成的。他们带着埃及式的盾牌、枪和短剑，此外还有安着铁头的木棍；他们穿着亚麻的铠甲。希腊人称他们为叙利亚人，但异邦人则称他们为亚述人。和他们在一起的还有迦勒底人。他们的将领是阿尔塔凯耶斯的儿子欧塔司佩斯。[26]
一个名叫美迦帕诺斯的人，是参加波斯远征军的叙尔卡尼亚人的将领，他后来成了巴比伦的总督。[27]
