На вершине Вавилонской башни, как единогласно свидетельствуют все надписи, находился верхний храм. Это сооружение, игравшее важную роль в религии и культе вавилонян, описано также и в глиняной табличке Анубелшуну. В табличке приводятся и размеры храма: 24 × 22,5 квадратных метра при высоте 15 метров, причем четко указано на существование «верхнего помещения». В храме находились святая святых бога Мардука и отдельные помещения для богов Набу и Ташмету, бога морских пучин Эйи, бога огня Нуску, а также для Ану и Энлиля, старых властителей вавилонского пантеона. Эти помещения, вероятно, были сосредоточены вокруг внутреннего дворика. Дальше в «Табличке об Эсагиле» идет речь о доме с ложем, который, возможно, следует отождествлять со святилищем Мардука. Здесь находилось его ложе в «девять локтей длиной, четыре локтя шириной; ложе и трон стояли друг против друга». Это громадное ложе длиной 4,5 метра и шириной 2 метра упоминается также у Геродота и у других древних авторов. Лестница вела в помещение, именуемое сахуру, находившееся, вероятно, на одном из верхних этажей Башни.
Навуходоносор в одной из своих надписей описывает верхний храм следующим образом: «И Этеменанки, ступенчатую башню Вавилона, я заставил отделать асфальтом и голубым глазурованным кирпичом, (прекрасным), как день. Для перекрытия его помещений я применил в изобилии могучие кедровые стволы». Не исключено, что храм, кроме того, был украшен мощными бычьими рогами из бронзы, символами божества. Такое украшение засвидетельствовано в одной из надписей Ашшурбанипала и в изображении на одном из рельефов.
Другим дискуссионным вопросом, касающимся Вавилонской башни, является вопрос о расположении ее лестниц. Раскопками засвидетельствованы с южной стороны массива две восходящие боковые лестницы и далеко выступающая вперед монументальная парадная лестница в центре. Но так как сохранилась лишь нижняя часть лестниц или даже только их следы, то для четкого определения расположения лестниц данных мало. Так, из глиняной таблички не удалось извлечь какой-либо информации о том, каким образом попадали на Башню. Геродот же писал: «Наружная лестница ведет наверх вокруг всех этих башен. На середине лестницы находятся скамьи, должно быть, для отдыха». Однако археологические данные не дают оснований полагать, что нижняя часть лестницы действительно была винтовой. Остается неясным, как все-таки осуществлялось восхождение к верхним этажам.
Сейчас наиболее широким признанием пользуется реконструкция Гюнтера Мартини, согласно которой средняя лестница, ведшая к Башне и имевшая ширину 9,35 метра, начиналась перед зданием, приблизительно в пятидесяти метрах от фасада, и шла вверх под углом около 36°, как это и поныне можно видеть в сооружениях древнего города Ура; она достигала Башни примерно на уровне второй ступени, а боковые лестницы сходились несколько ниже края первой ступени. Реконструкция, предложенная Мартини, допускает существование дополнительных лестничных маршей поменьше, предназначенных для дальнейшего подъема и примыкавших вплотную к массиву Башни с восточной и с западной сторон.
Относительно того, как был ориентирован Вавилонский зиккурат, высказывались самые разные предположения. Согласно текстам того времени, ориентация построек определялась рядом факторов, но прежде всего – данными астрономических наблюдений. При этом не придерживались строго сторон света (север, юг, восток, запад), а больше руководствовались расположением созвездий. Последнее обстоятельство, очевидно, повлияло и на ориентацию Вавилонской башни, ось которой отклоняется примерно на 20° от линии, проведенной строго с севера на юг. По этому поводу существует целый ряд исследований и теорий. Одну из них предложил археолог Экхард Унгер: он полагал, что определенную роль здесь играло направление господствующих ветров. Так как для Месопотамии это преимущественно направления северо-запад – юго-восток и юго-запад – северо-восток, то, по его мнению, именно этим направлениям и отдавалось предпочтение при ориентации зданий. Во многих текстах говорится, что боги заявляют о себе дуновением ветра.
Таковы результаты исследований Башни, проведенных в 20—30-е годы XX века. Раскопки 60—70-х годов обогатили наши знания об этом чудесном сооружении, но, конечно, не ответили на все вопросы, связанные с историей Вавилонской башни.
Главному архитектору раскопок Хансйоргу Шмиду пришлось действовать в значительно менее благоприятных условиях, чем Фридриху Ветцелю в 1913 году, так как почвенные воды в Вавилоне давно успели подняться до своего нормального уровня. Перед экспедицией стояла задача проверить прежние строительные обмеры и увязать данные новых исследований с полученными ранее. Внешнюю поверхность массивного сырцового ядра расчистили, насколько позволил уровень почвенных вод, и сделали разрез, имевший целью дать представление о строительных слоях всего массива. При проведении работ Шмид установил, что в массивном ядре зиккурата через каждые семь слоев сырцового кирпича были сделаны прокладки из тростника, аналогичные тем, которые лучше сохранились в найденных археологами постройках Урука и Акаркуфа. Кроме выше описанных Ветцелем двух анкерных скреп в сырцовой кладке оказался еще целый ряд таких же скреп, расположенных через равные промежутки, причем на сей раз удалось выяснить их назначение. Оказалось, что ядро зиккурата не так однородно, как полагали до тех пор. По-видимому, проводились неоднократные перестройки и реставрации сырцового зиккурата, в ходе которых постройку снабдили оболочкой из необожженного кирпича.
Позднее, когда потребовалось основательное обновление Башни, оболочка была удалена. Вероятно, от нее уцелело только то, что оказалось ниже плоскости, на которой производилась перестройка. Именно эту сохранившуюся часть оболочки во время раскопок Ветцеля приняли за специально устроенный плотный водонепроницаемый слой. Здесь вернее говорить не о «глиняном ложе», приготовленном для возведения Башни, а об уцелевшей спрессованной старой кладке из сырцового кирпича. Во время очередной перестройки старое сырцовое ядро одели в толстую оболочку, на сей раз из обожженного кирпича, политого асфальтом.
Так как эти наблюдения удалось сопоставить с письменными свидетельствами, они оказались весьма полезны как для изучения истории строительства зиккурата, так и для датировки отдельных фаз его существования. Набопаласар, первый царь Халдейской династии, застал воздвигнутый ассирийским царем Асархаддоном зиккурат в бедственном состоянии и решил его капитально обновить. В своей надписи Набопаласар говорит о том, что он повелел заново сделать план зиккурата Этеменанки и заложить его фундамент в котловане. Можно предположить, что ядро прежнего зиккурата он сохранил, поскольку имеется упоминание о том, что Набопаласар распорядился убрать обломки и строительный мусор, а затем соорудить в котловине вокруг ядра зиккурата новую оболочку из обожженного кирпича так, чтобы площадь первой ступени составила 91,5 х 91,5 квадратных метра. Как позже утверждал Навуходоносор, его отцу удалось «воздвигнуть четыре наружные стены из асфальта и обожженного кирпича лишь на высоту 30 локтей, голову зиккурата он не возвысил». Далее Навуходоносор пишет: «Совокупность людей далеко живущих народов, которых Мардук, мой господин, мне подарил; при постройке Этеменанки я заставил их взяться за работу и возложил на каждого корзину для переноса кирпичей. Нижнюю часть зиккурата я заполнил на 30 локтей «высоким заполнением». Прочные стволы кедра, большие стволы дерева мешмаканна я покрыл бронзой и использовал их в большом количестве». Из сказанного, однако, неясно, в каком месте Навуходоносор использовал упомянутое им «заполнение». До последнего времени полагали, что таким образом дополнили нижнюю часть ядра зиккурата, но эта точка зрения противоречит сообщениям обоих царей. Теперь X. Шмид выдвинул предположение, что это «заполнение из сырцовых кирпичей в 30 локтей высотой» Навуходоносор велел возвести не вокруг, а поверх сохранившихся остатков прежнего сооружения, снабженного оболочкой еще при Набопаласаре, и что тем самым Навуходоносор хотел продолжать постройку точно таким же образом, каким она велась с самого начала, то есть с ядром из сырцового кирпича и с толстой оболочкой из кирпича обожженного; на этом фундаменте был затем возведен описанный Навуходоносором «достойно охраняемый божественный покой», то есть храм Мардука.