La figura central era Marduk (el Enlil sumerio), que era conocido con más de cincuenta nombres y se convirtió en paradigma y protagonista del poema que relata el mito cosmogónico babilónico, el llamado Enuma Elish. En honor de Marduk se construyó el mayor templo babilónico, el Esagila. Las diversas escuelas teológicas de Babilonia, Ur, Sippar y Eridu, aportaban tantas deidades que el sincrético panteón babilónico consta de más de tres mil, debidamente jerarquizadas y agrupadas en familias. No obstante, se ha podido constatar que el culto a Marduk y a sus familiares era practicado por las clases dirigentes: los babilonios de a pie parecían confiar más en una especie de dioses personales o familiares, y en las prácticas de magia y brujería.
Dado el ingente número de dioses, existían muchos templos. En ellos se adoraba a las estatuas (los dioses se representaban siempre de modo antropomorfo, y su comportamiento era muy humano en los mitos), que eran limpiadas, vestidas y alimentadas con ofrendas casi a diario. Los demonios, que también eran importantes en la cultura religiosa babilónica, eran representados como híbridos entre humanos y animales, y su dominio era la noche. Eran muy temidos, por lo que la figura de los exorcistas era muy importante. Como en Sumer, los sacerdotes y sacerdotisas estaban especializados en distintas funciones y aunque cambien algunos nombres, seguían siendo especialistas. Sin embargo, una aportación importante era la del Urigallu, o custodio del templo. El sumo sacerdote, que estaba por encima de todos los servidores de los dioses, era denominado Enu.
La mayoría de divinidades eran de origen astral. Los babilonios pensaban que los astros eran imágenes de los dioses y que podían influir en el destino humano, por lo que los observaban y les rendían culto. En Nínive y Babilonia hubo grandes observatorios donde los astrónomos y astrólogos documentaban, estudiaban y predecían con precisión eclipses y otros fenómenos, tal vez los primeros de los que hay constancia escrita en la historia de la humanidad.