Los dioses de la antigua Mesopotamia eran casi exclusivamente de carácter antropomórfico. Se pensaba que poseían poderes extraordinarios y a menudo se les imaginaba con un tamaño físico tremendo. Las deidades solían llevar melam, una sustancia ambigua que «les cubría de un esplendor aterrador» y que también podían llevar héroes, reyes, gigantes e incluso demonios. El efecto que la visión del melam de una deidad tiene sobre un humano se describe como ni, una palabra que designa el «reptar físico de la carne». Tanto la lengua sumeria como la acadia contienen muchas palabras para expresar la sensación de ni, incluida la palabra puluhtu, que significa «miedo». Las divinidades casi siempre se representaban con gorros con cuernos, formados por hasta siete pares de cuernos de buey superpuestos. A veces también se les representaba con ropas con elaborados adornos de oro y plata cosidos en ellas.
Los antiguos mesopotámicos creían que sus deidades vivían en el cielo, pero que la estatua de un dios era una encarnación física del propio dios. Por ello, las estatuas de culto recibían cuidados y atenciones constantes y se asignaba a un conjunto de sacerdotes para que las atendieran. Estos sacerdotes vestían a las estatuas y les ofrecían festines para que pudieran «comer». Se creía que el templo de una deidad era su lugar de residencia literal. Los dioses tenían barcos, barcazas de tamaño completo que normalmente se guardaban dentro de sus templos y se utilizaban para transportar sus estatuas de culto a lo largo de las vías fluviales durante los diversos festivales religiosos. Los dioses también tenían carros, que se utilizaban para transportar sus estatuas de culto por tierra.
A veces, la estatua de culto de una deidad se transportaba al lugar de una batalla para que la deidad pudiera ver el desarrollo de la misma. Se creía que las principales dioses del panteón mesopotámico intervenían en la «asamblea de los dioses», a través de la cual los dioses tomaban todas sus decisiones. Esta asamblea se consideraba una contrapartida divina al sistema legislativo semidemocrático que existía durante la Tercera Dinastía de Ur (c. 2112 a.C. – c. 2004 a.C.).
El panteón mesopotámico evolucionó mucho a lo largo de su historia. En general, la historia de la religión mesopotámica puede dividirse en cuatro fases. Durante la primera fase, que comenzó en el cuarto milenio a.C., los dominios de las deidades se centraban principalmente en las necesidades básicas para la supervivencia humana. Durante la segunda fase, que tuvo lugar en el tercer milenio a.C., la jerarquía divina se estructuró más y los reyes divinizados comenzaron a entrar en el panteón.
Durante la tercera fase, en el segundo milenio a.C., los dioses adorados por una persona individual y los dioses asociados a los plebeyos se hicieron más frecuentes. Durante la cuarta y última fase, en el primer milenio a.C., los dioses se asociaron estrechamente con imperios y gobernantes humanos específicos. En los textos cuneiformes se han recuperado los nombres de más de 3.000 deidades mesopotámicas. Muchos de ellos proceden de largas listas de deidades recopiladas por antiguos escribas mesopotámicos.
La más larga de ellas es un escrito titulado An = Anum, una obra literaria babilónica que recoge los nombres de más de 2.000 deidades. Aunque a veces se considera erróneamente una simple lista de dioses sumerios con sus equivalentes acadios, su objetivo era proporcionar información sobre las relaciones entre los distintos dioses, así como breves explicaciones de las funciones que cumplían. Además de los cónyuges e hijos de los dioses, también se enumeran sus sirvientes.
Se utilizaron varios términos para referirse a grupos de deidades. El término colectivo Anunnaki se menciona por primera vez en el reinado de Gudea (c. 2144 – 2124 a.C.) y en la 3ª Dinastía de Ur. Este término suele referirse a las principales deidades del cielo y la tierra, dotadas de inmensos poderes, que se creía que «decretaban los destinos de la humanidad».
Gudea los describía como «Lamma (deidades tutelares) de todos los países». Aunque es común en la literatura moderna suponer que en algunos contextos el término se aplicaba a deidades ctónicas del Inframundo, este punto de vista es considerado infundado por la asirióloga Dina Katz, quien señala que se basa totalmente en el mito del Descenso de Inanna, que no contradice necesariamente la definición convencional de Anunnaki y no los identifica explícitamente como dioses del Inframundo.
Las referencias inequívocas a los Anunnaki como ctónicos provienen de fuentes hurritas (en lugar de mesopotámicas), en las que el término se aplicaba a una clase de dioses distintos, hurritas. Los Anunnaki se mencionan principalmente en textos literarios y se ha descubierto muy poca evidencia que apoye la existencia de un culto distinto a ellos, debido al hecho de que cada deidad que podría ser considerada como miembro de los Anunnaki tenía su propio culto individual, separado de los demás.
Del mismo modo, aún no se han descubierto representaciones de los Anunnaki como un grupo distinto, aunque se han identificado algunas representaciones de sus frecuentes miembros individuales. Otro término colectivo similar para las deidades era Igigi, atestiguado por primera vez desde el Período Antiguo de Babilonia (c. 1830 AC – c. 1531 AC).