Na época de Nabucodonosor II, Babilónia tinha três palácios reais: dois no setor do Kasr, ao lado das muralhas e de bastiões, o "Palácio Sul" e o "Palácio Norte"; e outro isolado mais ao norte, no tel Babil, conhecido como o "Palácio de Verão". Só o primeiro foi devidamente explorado pelos arqueólogos, conhecendo-se mal os outros dois. Várias inscrições de fundação de Nabucodonosor II, que os restaurou ou reconstruiu, permitem conhecê-los um pouco melhor, mas não permitem saber com exatidão quais eram as funções exatas destes palácios e quais as ligações entre eles.

O "Palácio Sul" (Südburg na denominação dos arqueólogos alemães que escavaram a cidade), chamado "Palácio do Maravilhamento do Povo" nas inscrições de Nabucodonosor II, é o palácio real melhor conhecido de Babilónia. Trata-se de um grande edifício de planta trapezoidal adossado à muralha interior, que mede 322×190 metros. Era acessível através de uma porta monumental situada no lado oriental, que dá para a Via Processional, perto da Porta de Istar. O edifício, que tinha um andar superior, apresenta uma planta original: organizava-se em redor de cinco unidades arquiteturais que se sucediam de leste para oeste, cada uma organizada em volta de grandes pátios que asseguravam a comunicação. Os pátios separavam cada uma das unidades em dois espaços distintos, um a norte e outro a sul, que por sua vez eram organizados em pequenas divisões em torno de espaços centrais. Aparentemente, as divisões da parte norte tinham uma função administrativa, enquanto que as da parte sul constituíam os apartamentos reais. Contudo, a separação espacial entre essas duas funções não parece tão clara como nos palácios assírios.

O terceiro pátio, no centro do edifício, é o maior de todos (com 66×55 m) e abre-se por três portas pelo lado sul para a sala do trono. Esta grande divisão retangular, com 52×17 m, comportava um pódio para o trono no seu centro. As suas paredes eram decoradas com tijolos vidrados representando leões, palmeiras estilizadas e motivos florais. Uma outra parte notável do palácio é o "edifício abobadado", situado a nordeste, que mede cerca de 50×40 m e tem paredes espessas, que deve ter sido uma espécie de armazém. Foi ali que foi descoberto o único lote de arquivo palaciano notável da época neobabilónica, datado de 595 a 570 a.C., constituído por um conjunto de tábuas com registo das entregas e distribuição de produtos para as rações alimentares de cereais, tâmaras e azeite distribuídas aos dependentes do palácio. Entre estes encontram-se famílias reais deportadas para a Babilónia, nomeadamente Jeconias de Judá, preso na sequência da tomada de Jerusalém em 597 a.C., que é mencionado na Bíblia.

“Tornei magnífica a minha morada real. Com enormes vigas de cedro vindas das altas montanhas, espessas vigas de madeira ašuhu (pinho?) e de cipreste fiz o telhado. Painéis em madeira musukannu (uma essência preciosa), de cedro e de cipreste, de buxo e de marfim, chapeados a prata e a ouro, umbrais e dobradiças de bronze, coloquei nas suas portas. Mandei colocar no cimo um friso de lápis-lazúli. Rodeei-o de um grande muro de betume e de tijolos, alto como uma montanha; além do muro de tijolos, construí um enorme muro de imensas pedras, provenientes das altas montanhas e elevei o seu cimo, alto como uma montanha. Fiz esta casa para o deslumbramento! Para o deslumbramento de todos enchia-a de mobiliário caro. Testemunhas majestosas, esplêndidas e arrepiantes do meu esplendor real foram espalhadas [neste lugar].” — Inscrição comemorativa da construção do palácio de Nabucodonosor II.

Na extremidade ocidental do Palácio Sul, Nabucodonosor mandou construir o chamado Bastião Ocidental (em alemão: Westliche Auswerk), um edifício de forma retangular com paredes muito espessas (18 a 20 metros), em parte no leito do rio, cujo curso obstruía, o que obrigou a alterações no cais.

O chamado "Grande Palácio" (Hauptburg) ou "Palácio Norte" foi igualmente construído na época de Nabucodonosor II num alto sobre as muralhas imediatamente a norte do Palácio Sul. Assente sobre um terraço, formava uma espécie de cidadela de planta retangular com 170 a 180 por 115 a 120 metros. Era mais pequeno do que o Palácio Sul e nele foram identificados dois grandes pátios para os quais abriam vários corpos com divisões mal identificadas durante as escavações devido à erosão. Era protegido pelo Bastião Norte. Foi no Palácio Norte que foi encontrado um tesouro de guerra dos reis babilónicos, constituído por estátuas, estelas e outras obras levadas para a cidade na sequência de campanhas militares. O arqueólogo que dirigia as escavações qualificou o local da descoberta como "museu". As inscrições de Nabucodonosor parecem indicar que o edifício foi concebido como um espaço de lazer, ou seja, um verdadeiro palácio que servia de residência real. Possivelmente tratava-se mesmo da residência real principal, enquanto que o Palácio Sul teria funções mais administrativas.

A mais de dois quilómetros a norte do Kasr, à beira do Eufrates, no atual tel Babil, os arqueólogos alemães desenterraram um edifício a que chamaram Palácio de Verão (Sommerpalast), devido ao facto das salas parecerem ser ventiladas por uma espécie de poços de vento, que serviriam para refrescar as divisões interiores nos períodos de calor intenso. Erigido no final do reinado de Nabucodonosor II, as inscrições indicam que tinha uma função principalmente defensiva, ao norte da muralha exterior construída pouco tempo antes. Dele mais não restam do que os alicerces, que deixam perceber um edifício de planta quadrada com 250 metros de lado, organizado em redor de dois vastos pátios, que foi reconstruído em várias ocasiões depois da época neobabilónica.