居鲁士死后，其子冈比西斯二世（公元前529年—前522年在位）继位。他登基伊始，居鲁士生前征服的各个地区便发生了反波斯起义。在稳定了国内局势之后，冈比西斯决定征服埃及。他在腓尼基人的帮助下建立了海军，还争取到西奈半岛阿拉伯人的合作。公元前526年，冈比西斯挥师进攻埃及。此时的埃及法老普桑姆提克三世是个无能之辈，尽管他手下的军队在培琉喜阿姆（Pelusium）战役和孟菲斯围城战中进行了顽强的抵抗，但无法挽救埃及的败局。

公元前525年，波斯大军基本上占领了埃及全境，建立了埃及第27王朝（即波斯王朝）。昔兰尼 的希腊殖民地也向波斯投降。冈比西斯得意洋洋地宣布自己是法老，是太阳神拉的后代。他还试图远征迦太基和埃塞俄比亚，但这是从国内传来了袄教僧侣高墨达发动政变的消息。

高墨达有个名叫巴尔迪亚的兄弟和冈比西斯二世的弟弟巴尔迪亚长得很像。后者虽然早就被冈比西斯秘密下令杀死，但是公众并不知道，因此高墨达用自己的兄弟冒充巴尔迪亚王子，扶植其登基称王。冈比西斯闻讯大怒，打算立即回国惩办高墨达。但是他上马的时候，佩刀刀鞘的扣子松了，刀子掉了下来，刺中了冈比西斯的股部。这个伤口是致命的，大约20天之后，冈比西斯死于伤口感染和骨头坏疽。这时，他的“万人不死军”领袖、波斯府太守叙斯塔斯佩斯（Hystaspes）之子大流士率军急返波斯，准备发动反政变。

高墨达政变后，在半年时间里实施了一系列改革，没收波斯贵族的牲畜、土地和奴隶，对被征服民族免除三年的兵役和赋税。这些措施都受到了国民的欢迎，但是政变的本身却被阿契美尼斯家族的几个大贵族识破了。他们发现自称为王的那个巴尔迪亚并不是真正的王子，于是发动了宫廷政变。包括大流士在内的七名贵族冲进王宫，进入内室，杀死了高墨达。

反政变成功之后，七名大贵族商讨今后实行什么样的政体。七人中的四人在民治、寡头统治和独裁统治这三种整体中支持最后一种意见。为了选出独裁者，他们决定日出时大家乘马在市郊相会，谁的马最先嘶鸣，谁就是未来的国王。大流士的马夫在头一天夜里将他的坐骑牵到次日的相会地点，让它在那里与一匹母马交配。第二天清晨，当这几位贵族按约骑马来见面的时候，大流士的那匹马走到前夜交配的地方，突然向前冲去并嘶鸣起来。大流士的同伴们立即跳下马来，跪在他的面前，向其称王道贺。

大流士一世（Darius I，公元前521年—前485年在位）上台后，用了一年多的时间镇压各地起义和叛乱，使濒于瓦解的帝国得以巩固。他把镇压高墨达政变和获得王位的经过用古波斯文、古阿卡德文（巴比伦帝国文字）和埃兰文三种文字详细地刻在埃克巴坦那附近的贝希斯敦山崖上，这就是著名的《贝希斯敦铭文》。大流士记下自己登基经过的这一愿望在24个世纪后导致了古代世界研究方面的重大突破，因为正如罗塞塔石碑导致埃及象形文字被破译一样，贝希斯敦铭文对破译古波斯所用的楔形文字也起了重大的作用，古代中东世界的神话、法律、宗教仪式、公共行政文件、以及人物和日常生活的细节，这一切宝贵的知识由此才得以展现在人类面前。

稳定了国内局势之后，大流士在公元前517年又开始了对外扩张，在东方征服了印度河流域，在北方征服了黑海北岸的西叙亚人部落，在西部征服了爱琴海上的许多岛屿，甚至越过赫勒斯滂海峡（今达达尼尔海峡），占领了马其顿和色雷斯，建立了世界历史上第一个横跨欧亚非的大帝国。当时波斯帝国的疆域西北达多瑙河，西南到尼罗河，东北抵锡尔河，东南至印度河，面积达500多万平方公里，相当于当时四分五裂的中国东周和战国总面积的两倍多。

这样，从居鲁士建国到大流士执政，波斯帝国仅仅用了28年的时间就从部落邦国发展成为跨洲的世界帝国，完成了其他国家要花两三千年才能走完的过程。

大流士将帝国分为20个行省。为了将帝国纳入统一的行政管理体系，他修建了以都城波斯波利斯和其故乡苏萨为中心、连接帝国各地的御道，这些御道上每隔四波斯里（Parasang，约合20公里）就设有一座驿站。虽然埃及、苏美尔、巴比伦和中国也有中央朝廷，可是这些国家缺乏波斯这种用以加快通讯联系的行政机构，即使在中国，这样的机构（驰道、驿站）也是在大流士之后200年的秦朝才出现。

波斯御道的安全由检查站负责，检查人员是军队的特遣队。除了威慑劫匪外，这些检查站也使当局能对帝国主要公路上的旅客保持密切的注意。这种检查如此有效，以至于当一位流放的苏萨的希腊人想把一则促使家乡起义反叛波斯人的密信捎到爱奥尼亚诸城邦时，传送信息的唯一办法是将其刺染在一位可靠的奴隶刮过的头皮上，等该奴隶长出新头发时，才派他出发，并且指示其家乡的联系人，当这位奴隶一到，就安排他理发。

除了修建御道之外，为了发展水上交通，大流士还下令挖掘了连接尼罗河与红海的运河，使船只能从波斯湾直接航行到地中海。他还利用腓尼基人建立了一支强大的海军。

居鲁士和大流士所创建的波斯帝国不仅建立在武力征讨的基础上，而且也建立在信守礼义、诸教共存、异法并举的开明统治基础之上。对被征服地区的居民，不论是国王、贵族还是下层民众，都允许其实行比较宽松的民族自治，以及开明的宗教宽容政策。无论是埃兰人、犹太人还是埃及人、希腊人，都允许他们信奉自己原先的宗教，允许当地传统法律的存在。此外，大流士还统一了货币和度量衡。

波斯帝国的军事制度在大流士时期也进一步完善。整个帝国划分为5个大军区，每个军区长官负责几个行省的军事事务。帝国实行义务兵役制，军队的主体是波斯人，而当战时，所有民族15岁到50岁的男子都有从军打仗的义务。根据不同需要，波斯军队分为禁卫军（保卫国王和宫廷）、常备军（即帝国的国防军，主要由波斯人和米底人组成，是驻守帝国战略要地的守备部队）、地方军（由不同民族组成的屯垦兵，主要负责地方安全，高级指挥官也是波斯人），以及一支特殊的精锐部队，即“万人不死军”（Immortals，由1万名波斯人组成，员额出现空缺时迅即补足，始终保持1万人的规模）。

波斯军队的兵种齐全，拥有步兵、骑兵、象兵、战车兵、工兵和海军，装备有当时各种先进的武器。波斯的常备军军制分为军、团、队等建制，每军1万人，分为10个团，每团分为10个队，每队分为10个牌，分别由万夫长、千夫长、百夫长和十夫长统领。