Bütün Sümer toplumu tarafından kutsanan ve adı yazılı belgelere geçen yüzlerce tanrı, tanrıça ve kutsal varlık vardı. Tanrıların insan, tanrılar aleminin de yönetici sınıf gibi olduğuna inanılmaktaydı. Tanrıların eşleri, çocukları ve yardımcıları vardı. Önem sırasına göre bu tanrılara yapılan tapınakların boyutları da değişmekteydi. Mezopotamya’da her kentin bir baştanrı için inşa edildiği ve tanrının evi olduğu kabul edilmekteydi. Gök tanrısı An başlangıçta Sümerlerin baştanrısıyken sonra yerini hava tanrısı Enlil’e bırakmıştır. Ekur adındaki tapınağı Nippur kentinde bulunan Enlil, aynı zamanda tanrıların babası olarak bilinirdi. Nippur, Sümerlerin dini başkentiydi ve orada hizmet etmek, inşaat yapmak veya yapımına katkıda bulunmak büyük bir onur olarak kabul edilirdi. Enki bilgelik tanrısı; Ninmah (Nin-hursag) ulu hanım, ana tanrıça; Nanna ay tanrısı; oğlu Utu güneş tanrısı; İnanna aşk tanrıçasıydı.

Sümer dini ve mitolojisi, Mezopotamya’ya gelen diğer toplumları da etkilemiştir. Sümer tanrıları, isimleri değiştirilerek aynen kabul edilmiş, Sümer ilahileri ve mitolojik anlatıları ortak bellekte günümüze kadar ulaşmıştır. Yaratılış ve Tufan gibi Sümer mitosları, tek tanrılı dinlerde de varlığını korumuştur. Önasya’daki birçok toplumun örnek aldığı kahramanlık öykülerinin şiirsel bir biçimde anlatılması modeli ilk kez Sümerlerde karşımıza çıkar. Çoğu kahramanlık öykülerinden oluşan destan biçimindeki bu öyküler olasılıkla arp ve lir eşliğinde okunmakta, yeni kuşak bunları müziğiyle birlikte ezberlemekteydi. Sümer destanlarındaki başlıca kahramanlar arasında, Enmerkar, Lugalbanda ve Gılgamış gibi krallık yapmış olabilecek adlar da bulunur. Uruk Hanedanı’nın kralları arasında da adları geçen bu üç kahramandan Gılgamış, hem bir kral, hem de koruyucu bir ilah olarak kabul edilirdi. Gılgamış destanı hem yazılı ve hem de sözlü bir biçimde Sümerlerden sonra, Akkad, Babil, Assur gibi Mezopotamya toplumlarına ve sonrasında Anadolu uygarlıklarına aktarılmıştır. Sümerlere ait Tufan Mitosu, Ön asya’nın en iyi bilinen ve tek tanrılı dinlerde benzer biçimde tekrarlanan olayını anlatır. Bitkilerin, hayvanların ve insanların yaratılışı, krallığın gökten indirilişi ile başlayan destan, tanrıların insanları cezalandırmak için Tufan kararı almaları ile sürer. Bu karardan hoşlanmayan bazı tanrılar, kutsal kitaplarda adı anılan Nuh’un karşılığı olan dindar Ziusudra’ya durumu anlatırlar. Dev bir geminin yapılmasından, her hayvan türünden bir çiftin ve kendisine inanan iyi insanların gemiye bindirilmesinden sonra Tufan başlar. Yeryüzü yedi gün yedi gece boyunca suların altına gömülür. Sonra güneş tanrısı Utu (Akkadca fiamaş) görünür ve yeryüzünü aydınlatır. Ziusudra onun önünde eğilir ve kurbanlar sunar. Ziusudra bundan sonra ölümsüz olarak, ilahi cennet Dilmun’a götürülür.

Sümer kentlerinde büyük tanrıların evi olarak yapılan iki tür tapınak bulunmaktadır. Bunlardan ilki ziggurat olarak adlandırılan anıtsal yapılardır. Günümüze ulaşan çok sayıda ziggurattan en sağlam olanı Ur kentindedir. Tuğla veya kerpiçten basamaklar halinde inşa edilen yapının tepesinde küçük bir tapınak yer alırdı. Daha yaygın olan ikinci tür tapınak ise hemen bütün Sümer kentlerinde inşa edilmişti. Dikdörtgen bir kutsal odası bulunan tapınağın çevresinde depolar ve görevlilerin ikameti için ayrılmış mekânlar bulunmaktaydı.