Подлинное изучение истории и культуры древних народов Месопотамии началось лишь с того времени, когда ученые получили возможность подвергнуть научному исследованию надписи и археологические памятники, найденные на территории Двуречья. Первые раскопки начал в середине XIX в. Ботта, которому посчастливилось найти в Хорсабаде развалины дворца ассирийского царя Саргона. Особенно удачные раскопки произвёл Лэйярд в 1845—1851 гг. Он открыл развалины ассирийских столиц Калаха и Ниневии. Лэйярд раскопал в развалинах Калаха остатки пяти дворцов, построенных ассирийскими царями в IX—VII вв. до н. э. Здесь он нашёл замечательные скульптуры, в частности изображения гигантских крылатых быков, хранителей царского дворца. На барельефах, покрывавших стены этих дворцов, сохранились сцены войны и охоты, осады крепостей, привода пленных, придворной жизни. В развалинах Ниневии Лэйярд обнаружил остатки огромного дворца, состоявшего из большого количества зал, комнат и коридоров. Кроме многочисленных произведений ассирийского искусства Лэйярд нашёл также большое количество различных предметов материальной культуры (оружие, сосуды, украшения, предметы быта). Особую историческую ценность имеют надписи, обнаруженные Лэйярдом в развалинах ассирийских дворцов. Работу Лэйярда продолжали Рассам и Смит; их раскопки дали большой материал для изучения истории и культуры Ассирии.
Не менее крупные раскопки были произведены во второй половине XIX в. в Южной Месопотамии, где археологи обнаружили развалины древнейших шумерийских городов, восходящих к концу четвёртого тысячелетия до н. э. Де-Сарзек и Хёзэ обнаружили на месте современного Телло остатки древнешумерийского города Лагаша (Ширпурла), в развалинах которого они нашли многочисленные произведения шумерийского искусства и множество глиняных табличек, покрытых шумерийскими клинообразными надписями, в частности ценнейшие документы хозяйственной отчётности. Некоторые из этих документов хранятся в музеях Москвы и Ленинграда. Многочисленные остатки зданий, в том числе храмов и храмовой башни (зиккурата), были обнаружены в главном религиозном центре древнего Шумера, в городе Ниппуре.
Богатый материал для изучения Ново-Вавилонского царства дали раскопки в Вавилоне, произведённые немецким учёным Кольдевеем в самом конце XIX в. Эти раскопки дали возможность восстановить топографию древнего Вавилона, крупнейшего города древневосточного мира. Кольдевей обнаружил развалины нескольких дворцов вавилонского царя Навуходоносора со знаменитыми «висячими садами», описание которых сохранилось у греческих историков. Тут же были раскопаны развалины храмов, остатки каналов и прецессионная дорога с частью «Ворот богини Иштар», роскошно украшенных многокрасочными изображениями, сделанными из фаянсированных кирпичей (изразцов). В развалинах Вавилона были найдены ценные исторические документы, в частности текст манифеста персидского царя Кира, сообщающего о взятии Вавилона персидскими войсками.
Наиболее крупные и систематические раскопки были произведены в первых десятилетиях XX в. в различных пунктах Месопотамии. В Шуруппаке, в Уруке, Эль-Обеиде и в Джемдет-Наср были обнаружены древнейшие поселения, восходящие к эпохе неолита. Особенно большие раскопки были произведены на территории трёх больших городов Месопотамии: Ура, расположенного в южной части Двуречья, в стране Шумер, Эшнунны, лежавшей в средней части Месопотамии, в стране Аккад, и Мари — большого города, находившегося на берегу Евфрата.
Раскопки в Уре обнаружили огромное количество памятников различных эпох. В гробницах царя Мескалам-дуга и царицы Шубад, относящихся к началу третьего тысячелетия до н. э., было обнаружено большое количество ценных и высокохудожественных ювелирных изделий, в частности роскошная арфа из дерева, украшенная золотом, серебром, лазуритом и золотой головой быка, богато орнаментированная доска для шашечной игры, серебряная модель лодки с вёслами, многочисленные украшения, сосуды, оружие и целый ряд других предметов, сделанных из золота и серебра и богато украшенных. Далее была тщательно раскопана и полностью обследована большая часть города, относящаяся ко времени царствования Римсина (XVIII в. до н. э.). Здесь был обнаружен ряд улиц, переулков, площадей с остатками многочисленных зданий, которые дают яркое представление о жизни древнешумерийского города. Большое количество клинописных документов, относящихся главным образом ко времени Римсина, было найдено в юго-восточной части города.
Очень ценные результаты дали раскопки древнеаккадского города Эншунны, в развалинах которого были обнаружены остатки древних храмов и огромного роскошного дворца, который строился и перестраивался в течение двух столетий (XX — XVIII вв. до н. э.).
Надписи и памятники материальной культуры, найденные в развалинах Эшнунны, а также другого древнеаккадского города, раскопанного на месте современного Хафадже, позволяют говорить о том, что древнейшая шумерийская культура оказывала сильное влияние на семитские центры Аккада в начале третьего тысячелетия до н. э. Наконец, некоторые памятники искусства и быта, найденные в развалинах этих городов пролили новый свет на взаимоотношения между Аккадом, Эламом и племенами аморитов, которые в эту эпоху вторгались в Месопотамию.
Наконец, в 1933—1936 гг. были раскопаны развалины столицы государства Мари, нередко упоминающегося в надписях времён вавилонского царя Хаммурапи (XVIII в. до н. э.). В развалинах этого города были обнаружены остатки большого храма, огромного дворца и хорошо сохранившейся школы. Наибольший интерес среди находок представил большой архив ценных исторических документов.
Среди многочисленных надписей, отражающих хозяйственную жизнь государства Мари, и исторических текстов выделяются дипломатические документы, проливающие яркий свет на международные отношения, существовавшие в те времена между государствами Передней Азии. Некоторые клинописные таблички позволяют установить наличие военного союза между Зимрилимом, царём Мари, и вавилонским царём Хаммурапи. Наконец, документы дают возможность говорить об экономических связях государства Мари с Северной Сирией и даже с островом Крит.