בין המאה ה-16 לפנה"ס ועד המאה ה-13 לפנה"ס נשלטה העיר בידי ממלכת מִיתָנִי והיא הייתה העיר המרכזית והחשובה בצפון מסופוטמיה (ראו גם ארם נהריים). בתקופה זו ישבו בחרן השֵׁמִים-המערביים. כמו אור, גם חרן הייתה בתקופה זו מרכז דתי גדול, ובו התקיים פולחן לאל הירח סין. היא הייתה ידועה גם כעיר מסחר בציר הסוחרים נינוה-חרן-כרכמיש-חלב-דמשק-כנען.

בסביבות שנת 1270 לפנה"ס נכבשה העיר בידי שלמנאסר הראשון מלך אשור. בתקופת דעיכת ממלכת אשור נשלטה העיר בידי האֲרָמִים, ועם התחזקות ממלכתם שבו האַשׁוּרִים והשתלטו עליה. בשנת 612 לפנה"ס, העביר המלך האשורי האחרון אשור-אובליט השני את עיר הבירה לחרן, וזאת לאחר שהבירה הקודמת נינוה נכבשה על ידי הבבלים. לאחר נפילת ממלכת אשור הייתה העיר תחת שלטון בבל, ועם נפילתה של זו במאה השישית לפני הספירה עברה העיר לשלטון המַדִים והכַּשְׂדִים.

בסביבות חרן נשתמר זכר לתקופת המקרא בשמות היישובים: תל תרח, תל נחר, שרג. בתל נחר עמדה, כנראה, עיר נחור, ואילו בתל תרח נשאר זכר למשפחת תרח, שככל הנראה הייתה מהמשפחות הידועות בסביבה ההיא. לפי רשימות בבליות מתקופת האבות מסתבר, שדרך חשובה הוליכה מדרום מסופוטמיה, מסביבות אור כשדים, עד לחרן, וממנה דרך כרכמיש וחלב לדמשק ולחצור שבארץ כנען.