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古代两河流域文明，指的是底格里斯河与幼发拉底河流域孕育出的古代文明。古希腊人将古希腊语根词με＇σοζ（meso，意为“中间”）和ποταμóζ（potamia，意为“河流”）结合起来，组成“河间（之地）”的意思，用来指称这片土地。因此，两河文明也称美索不达米亚（Mesopotamia）文明。
然而，在以往的历史中，人们并没有就美索不达米亚的区域定位问题达成普遍共识。例如，《圣经·旧约》的希腊翻译者们把古代城市哈兰附近的亚伯拉罕故乡看作美索不达米亚，它位于两河中游的河间地带；斯特拉博以美索不达米亚特指两河间的北部低地，南部则被其称作“巴比伦尼亚”；普林尼则把这一范围扩大到了波斯湾。
现代学者们普遍认为美索不达米亚这一概念有狭义与广义之分。其狭义仅指两河之间的狭长地带；而广义上的美索不达米亚地区还包括了底格里斯河和幼发拉底河的中下游区域。两河地区的北部古称亚述，南部则是更广为人知的巴比伦尼亚。其中，巴比伦尼亚又曾经被分为两部分，东南部为苏美尔，西北部是阿卡德。
现在的伊拉克全境、叙利亚东部、土耳其南部和伊朗西部的一部分属于两河流域。由于这一区域属于冲积平原，而历史上河流曾多次改道，因此，其地理特征并不稳定。当下发掘出的很多古代城址都已不再靠近水源，虽然它们当年大多都是傍水而建的——一些城市之间还有人工水道相连。当时的一些临海城市，也因为冲积平原数千年来的沉积、扩张，而逐渐变成了内陆城市。例如，古城埃利都就曾濒临波斯湾。两河流域的水路交通情况在文学作品中也有所反映。神话《恩基与埃利都：水神去往尼普尔之旅》中就记载了水神恩基使埃利都从深渊中升起，浮在水面上，之后他建立埃利都城，并使之繁荣的情节。神话写道：恩基准备好丰盛的礼物，从埃利都出发，坐船沿水路上行去往北方城市尼普尔，以谒见大神恩利尔，求得恩利尔对埃利都城的祝福。
两河流域是人类古代文明的发祥地之一。其区域文明与其他几大古代文明有着共通的一些特点，如均是以农耕为基础的文明等。每年的河流泛滥，使得两河流域南部下游地区的土地相对肥沃，适于耕作。但与此同时，此地气候干旱少雨，需要人类力量的辅助以求丰收，因此，很早之前，灌溉技术便应运而生了。考古证据表明，公元前6000年时，修挖水渠等大规模灌溉技术的应用就已经在两河流域出现了。在发达灌溉系统的滋育下，到了公元前2900年左右，以城邦为特色的早期农业文明已逐渐在当地形成了。苏美尔、阿卡德、巴比伦、亚述等文明就先后繁盛于此。
依据当代学者的普遍看法，两河流域文明可划分为如下几个时期：
公元前3300—前3100年：乌鲁克IV
公元前3100—前2900年：乌鲁克III/捷姆德特那色时期
公元前2900—前2334年：早王朝时期
公元前2334—前2154年：阿卡德王朝时期
公元前2154—前2004年：古提人统治、乌尔第三王朝
公元前2004—前1595年：古巴比伦时期
公元前1595—前1000年：中巴比伦时期
公元前1000—前625年：新亚述时期
公元前625—前539年：新巴比伦时期
公元前539—前330年：波斯帝国时期
公元前330—前129年：马其顿希腊时期
公元前4000年前后，人类历史上已知的第一个高级文明——苏美尔文明，诞生在两河流域。虽然在早前出现的欧贝德文化后期，神庙已经成为城市的中心，且对古城埃利都的考古发掘表明，它当时已经具备了发展出一个成熟城市所必需的条件，但真正意义上的两河流域城邦文明的形成是在公元前4000年左右的乌鲁克时期了。这一时期即以著名的苏美尔城邦乌鲁克命名。彼时，苏美尔人建立起了国家，以乌鲁克为代表的城市文明崛起，社会等级持续分化，出现了官吏和神职人员，并由这两类人来统治、管理国家。大型的宫殿和神庙成为城市建筑的代表，尤其是神庙，已然成为社会运作的核心。在苏美尔人的观念中，人是出于替诸神劳作的目的而被创造出来的，因此，劳作并供养神明是人类的基本任务。不同城市的诸多神庙中供奉着其各自不同的神祇，例如，人们相信埃利都是水神恩基的城市，而乌鲁克是天空神安和丰产与战争女神伊南娜的城市等等。
伴随着商业贸易的发展，出于签订合约的需要，大约在公元前3500年的乌鲁克时期，楔形文字的雏形诞生。位于河流下游的冲积平原盛产粘土和芦苇，木石、金属等材料则比较匮乏，因此，泥板和芦苇杆成为两河流域文明中独具特色的书写工具。人们用削尖的芦苇杆在泥板上压印出形似楔子的笔画，并组成各种符号，书写完毕后，将泥板晒干或烘干，就形成了我们现在所见的泥板书，上面的文字则被称作楔形文字。最初，书写时所使用的文字更接近于象形符号，但或许是由于象形符号不便于刻写，公元前3000年前后，象形文字雏形逐渐演化成了楔形文字，并发展出自己的一套拼音规则。一些楔形文字符号在外形和意义上仍遗存有原始象形符号的某些特征。关于楔形文字的起源，说法很多，学界至今亦未能达成共识，但近几十年来，当以陶筹说最为流行。
此外，在苏美尔神话和史诗中，也有关于文字起源的内容。
一般认为，楔形文字是由苏美尔人创造的，却并非为苏美尔语所独有。埃兰人、闪族的阿卡德人、巴比伦人和亚述人、属于印欧语系的赫梯人、波斯人，以及尚未确定所属语系的胡里特人等，都曾借用楔形文字来记录自己的语言。公元前3000年前后，阿卡德人在苏美尔北部定居，即采用当地的楔形文字来记录阿卡德语口语。之后，阿卡德语逐渐取代了苏美尔语，成为当地的基本通用语。到了公元前2000年左右的伊辛王朝时期，阿卡德语更成为了官方语言。苏美尔语逐渐消亡，后仅作为文学、宗教、仪式等用语继续留存了若干世纪。阿卡德语时期，语言和文字系统进一步完善。熟知繁复文字体系的书吏地位日渐升高，最终成为特权阶层的一分子。然而，阿卡德语的命运与苏美尔语相似，虽然它被持续使用到了新巴比伦时期，但实际上，早在之前的新亚述时期，阿拉米语
就已经成为在两河地区占主导地位的通用语，并取代了阿卡德语，成为新的官方语言。阿卡德语不再作为官方语言、通用语言使用，并不意味着它即时消失了。被废止后，阿卡德语和苏美尔语在寺庙中被继续使用了几个世纪。已知的阿卡德语文书的最晚版本出现在公元前1世纪。此后，楔形文字便随着阿卡德语的消逝，从人们的记忆中彻底消失，湮没在了历史的洪流之中。众多文字记录被掩埋于地下。及至它们再次出现，并受到世人关注，已是约两千年之后的19世纪了。
两河流域文明是以苏美尔文明为肇始，由多个族群——特别是苏美尔人和闪族人——共同创造的文明。它绵延数千年，历经苏美尔语阶段和阿卡德语阶段，数度繁盛，又数度陷入磨难，最终随着古波斯阿契美尼德王朝的覆亡而归于沉寂。由于这一文明是借由考古发掘出的楔形文字泥板和文物等而重新发现的，两河流域古文明也被看作是“楔文时代”之文明。
亚历山大大帝的铁骑踏过两河流域之后，古代两河文明就此湮没，不再为人所知了。直到18世纪中后期，欧洲人纷纷前往两河地区，并陆续带回了不少当地文物和他们所描摹的铭文。这引起了学术界的注意，针对楔形文字的研究开始从传统的古物学
研究领域，走向了以古物学、地理学为基础，综合了历史学、化学等学科的现代考古学领域。及至19世纪，人们在历次考古发掘中获得了大量的珍贵文物，对泥板文书的释读也有了突破性进展，两河流域文明得以重新发现。并且，其作为一个可与古埃及文明、古希腊文明比肩的辉煌古文明，为世人所承认。