古代两河流域的医学与巫术紧密相连。早期的行医治病几乎被完全操纵在巫师的手中，生病原因大多被臆测成诸如魔鬼附身或神灵的惩罚之类。治疗手段因此常常是用咒语驱鬼去魔的一类神秘仪式。在巫师或医生眼里，病人即是罪人，他的呻吟是对罪恶的掩饰，以免人们察觉他体内的恶鬼。这样，在治疗病人时，医生或巫师会列举一系列病人有意或无意犯下的罪过，一旦某项得到承认，医生就找到了病人身里的罪恶，可以下药驱邪了。如果驱邪不奏效，医生还会想出别的“疗法”来诱使“邪魔”离开病人。比如“转移疗法”：找一只身体各部分或比例与患者有些类似的乳猪，念咒希望恶魔转移到猪身上。有些时候用芦苇代替猪。还有一种方法是送给“邪魔”礼物。例如，要是女鬼缠身，人们以食品、首饰、毛驴或舟楫贿赂她，让她穿沙漠，渡地河，带着食品和首饰远离病人，回到地府。
人们逐渐地意识到巫术的不可靠。到公元前1千纪前后，具有科学性的较为合理的医疗手段被应用了。亚述的萨尔贡王朝时期，社会上有了专门的治病的医生。他们使用一些有疗效的药物、草药和治疗方法，也使用金属管和手术刀为病人做手术。不过，古代医学治疗和巫术很难严格区分，二者常常被同时使用。在药物治疗中也渗入了巫术活动，巫术仪式过程中也使用有效的药物。占卜吏通过观察各种疫情发生和传播现象所作出的瘟疫预言也包含了一定的科学道理。
我们目前对于两河流域医药方面的知识主要来源于记载药方的泥板文书。医学泥板文书有固定的格式：开始是“如果一个人有病……”，“如果一个人身体苦痛”之类的话；接着是对症状的详细叙述，包括患者的感觉和某些特征，最后是医生的指示，包括药方、服用时间和方法。一般药方都会对治疗结果做出一个预言。如“你会病愈”或““你难逃厄运”。关于医药方面的记载不是很多。有时私人信件、法律条文和文学作品中也提到医生和行医活动。在巫术驱魔的过程中，由于病人被认为是邪魔缠身，病人的排泄物有时也成为药方之一。草药可能是逐渐发现和使用的。同中国的草药制作相似，两河流域人把药用植物的根、茎、叶或果和动物的脂肪、血、乳、骨头以及一些矿物碾碎、筛选、煮熟后与啤酒，蜂蜜，醋混合，作为外敷药或内服药。这些草药在治疗咳嗽和腹泻等常见内科疾病方面颇有疗效。不过总的来说，两河流域的医药水平还是处于较低的层次。希腊人希罗多德到记载：“因为没有固定的医生，巴比伦人把病人领到街上，询问每个路人可有方法医疗病人。”
在长期的生产劳动中，两河流域人积累了丰富的自然科学知识，并利用这些自然科学知识向大自然索取生产资料和生活资料。苏美尔人能区分各种各样不同的石头和矿物。许多石头可以确定是我们今天常用的矿物。有一篇苏美尔神话是关于石头命名的故事：战神尼努*尔塔与敌作战，石头们纷纷表明拥护或反对的立场。尼努*尔塔获胜后，嘉奖了拥护他的石头们，授予它们美丽的名字和上等的质地，用它们做塑像、神坛和首饰；反对他的石头们得到了各种坏名字，成为无价值的、质地粗劣的铺路石或路旁的石子。
两河流域人金属冶炼技术比较发达。考古证据表明这里很早就有了冶炼金属的工具，如不同型号的炉子、粉碎用的杵、碾磨机和过滤、蒸馏、提取用的滴水瓶。工匠们使用多种方法从矿物中提炼金属，如在“灰吹法”的基础上加热是提纯黄金的常用方法。巴比伦王那布尼都斯时期的一份文件记载，一个5斤的金锭首次加热后减轻了2/3斤5锱重量，第二次加热后又减轻1/2斤5锱，得到的纯金只重3?斤。黄金常用来作国与国之间互赠的礼物。文献中记载有由于金子纯度不纯、杂质过多而发生争执的外交事件。埃及就常常送些未经提纯的金子给其他国。接受者巧妙地用这些金子制成一些器皿送还给埃及。巴比伦的布拉布瑞亚斯（burra-buriash，约公元前14世纪）曾经两次向埃及的阿蒙霍泰普五世抱怨埃及送的金子质量低劣：20斤的金子提炼后就变成了5斤。两河流域的工匠们还通过搭配不同化学成分的物质的比例来制造合金或合成物。比如一种被称为“铜铅”玻璃的配方是：铅、铜、硝酸钾和石灰之间的比例为600：100：150：5；而当这些物质的比例变成60：10：14：1时，就制成了所谓的“阿卡德铜”。除冶炼金属外，两河流域人还可以生产某些化学原料。亚述人在公元前1千纪，可以配置和使用硫酸、苏打、硫酸盐等。他们还使用一些化学方法着色，如用熔化的金子给玻璃镀上一层红色。
两河流域人对动植物的仔细观察使他们在这方面具有丰富的知识。比如著名的巴比伦王米罗达巴丹拉丹的花园就按照植物的不同用途分类栽种。苏萨的一块泥板上记载了制造香药膏的一系列植物名字，这些植物都具有芳香的特点。古代两河流域人常常根据植物的外表来命名，如把一种植物称为狗舌头。书吏常用的植物名词汇表中没有发现任何编次序的规律，有些抄本用阿卡德语植物名词对译苏美尔语的植物名词，成为独特的双语植物词典。出土浮雕板上的对鸟类和鱼类的描绘形状准确，姿态栩栩如生。经济文献中常有关于植物和动物种类的记载，如公元前2000年左右的拉尔萨市场上出售的食用鱼的品种不少于18种，有些来自咸水湖，有的来自运河。我们还可以从文献中知道一些现已灭绝的稀有动物：当时存在着一种山羊，长着长长的胡子，头顶着分得很开的大弯角；在两河流域的干旱平原上还生活一种小马，长着又短又厚又硬的鬃毛和骆驼一样的脑袋；而印度特有的驼背牛的形象的出现表明在印度文明和巴比伦文明之间存在经济和贸易往来。