Inicialmente encontraram forte resistência das forças que protegem o gabinete do primeiro-ministro, mas alguns manifestantes conseguiram entrar, indicou um fotógrafo da AFP no local.
Os seguidores de Sadr protestam há várias semanas e pedem reformas, um novo governo e o fim da corrupção.
As forças de segurança dispararam com munição real e manifestantes foram espancados fora dos muros da Zona Verde, onde a polícia lançou bombas de gás lacrimogêneo para impedir sua entrada e mantê-los à distância.
Ao menos 58 pessoas ficaram feridas, incluindo membros das forças de segurança, segundo fontes médicas.
"Viemos para protestar pacificamente, mas os covardes dispararam contra nós", disse um dos manifestantes, que tinha em suas mãos cápsulas de balas.
Os manifestantes se reuniram na praça Tahrir, no centro de Bagdá, e depois ultrapassaram as barreiras em uma das pontes sobre o rio Tigre e se dirigiram à Zona Verde.
As autoridades declararam o toque de recolher, que foi suspenso no início da noite.
Moqtada Sadr advertiu contra qualquer tentativa de se impedir "manifestações pacíficas". "Nenhuma parte tem o direito de deter" os protestos, "senão, a revolução vai tomar outro rumo".
O líder xiita exige há semanas reformas visando combater a corrupção, o nepotismo e o clientelismo.
Trata-se da segunda invasão de partidários de Moqtada Sadr na zona verde em três semanas, após terem ocupado o Parlamento, no final de abril.
O Iraque atravessa uma grave crise política há semanas. Vários partidos se opõem ao projeto do primeiro-ministro de formar um governo de tecnocratas, por medo de perderem privilégios.