С III века начинает фигурировать имя Оденат, наследники которого сыграли важную роль в истории Пальмиры. Первым человеком, носящим это имя, был римский сенатор, казненный за участие в бунте. Его сын Хайран получил титул принца пальмирского. Сын последнего Оденат, муж знаменитой Зенобии (Зубайдат), в 258 году стал консулом и полновластным правителем Пальмиры. В 260 году он нанес поражение Шапуру I, в 262–267 годах во главе пальмирских и римских армий одержал ряд побед над персами. Получил от римских императоров высокие звания дукса и императора, присвоил себе титул «царя царей». Слава и военные успехи Одената стали вызывать зависть у римских государственных деятелей. При таинственных обстоятельствах в 267 году он был убит. Пальмирская корона перешла к младшему сыну Одената, еще младенцу, который унаследовал все титулы и звания отца. Зенобия, ставшая регентшей при сыне, захватила власть в свои руки. Образованная, волевая, чрезвычайно гордая и умная красавица, она была и чрезвычайно честолюбива. После смерти Клавдия И Римская империя переживала тяжелый кризис. Рим с трудом отражал набеги готов. Зенобия избрала именно этот период для вторжения в Египет. Победив римские войска в Египте, она осуществила и свои планы захвата всей Передней Азии. Неукротимая царица проникла в Малую Азию вплоть до Босфора: ей удалось овладеть вторым морским путем, который создавал неслыханные возможности для ее подданных. Летом 271 г. Зенобия и ее сын провозгласили себя императрицей и императором Востока. Это было время наивысшей славы Зенобии. Пальмира чеканила монеты с изображением ее и сына.
Осенью 271 года римский император Аврелиан начал против Зенобии военные действия. Они развернулись прежде всего в Египте. Так как пальмирское господство не пользовалось особой популярностью, Аврелиан победил быстро. Он вернул все города, покоренные Пальмирой, и без особых трудностей дошел до Сирии. Персидский царь, ожесточенный враг Рима, к этому времени постарел и не смог помочь императрице, оказавшейся в тяжелом положении. Аврелиан перешел Оронт и выиграл два решительных сражения (в Антиохии и Хомсе). Войска Зенобии бежали в Пальмиру, найдя убежище за ее могучими стенами. Город был осажден. Ночью Зенобия бежала из города на верблюде, пытаясь добраться до Персии и добиться помощи бывшего союзника, но была схвачена. Пальмира сдалась. Зенобия следовала в качестве пленницы за колесницей Аврелиана в процессии триумфа. В Хомсе были казнены советники Зенобии, среди которых был и Кассий Лонгин, философ и оратор, глава школы неоплатоников и приближенный Зенобии.
Едва победитель Аврелиан достиг Европы, как Пальмира восстала, римский гарнизон во главе с губернатором был перебит. Аврелиан вынужден был вернуться, следствием чего явилось разграбление города и разрушение его стен. При Диоклетиане стены были восстановлены, а при Юстиниане появилось значительное количество новых сооружений. Однако в борьбе против Рима Пальмира потеряла былую славу.
Арабы заняли Пальмиру (Тадмор) в 634 году. Возвращаясь из Ирака после победы на реке Ярмук, знаменитый полководец Халед ибн аль-Валид осадил и взял город. В 745 году город восстал против династии Омейядов. Мерван II, последний омейядский халиф, разрушил все укрепления Пальмиры. После перенесения центра халифата из Дамаска в Багдад (начало правления Аббасидов) Пальмира пережила еще один период упадка. В начале X столетия город был разрушен сильным землетрясением.
В начале XII века влияние Пальмиры снова усиливается. В конце этого века он был присоединен к эмирату Хомса. В 1177 году храм Баала (памятник II–III веков) был превращен в укрепленную крепость, о чем говорит надпись на воротах. Затем была восстановлена южная стена города. Вокруг него один за другим вырастали арабские замки. Но город вновь теряет свое значение после вторжения Тимура и падения крупных северных городов на Евфрате, которые были связаны с ней торговыми отношениями. Землетрясения и набеги бедуинов завершают дело его разрушения и опустошения, так что новое знакомство с Пальмирой (уже с ее развалинами) происходит только в XVII–XVIII веках.
Самая ранняя научная экспедиция в Пальмиру была осуществлена двумя англичанами, X. Девкинсом и Р. Вудом (1751), которые опубликовали свои зарисовки в сборнике «Руины Пальмиры» (Лондон, 1753). За нею последовала экспедиция Баддингтона (1861). Немецкая экспедиция побывала здесь в 1902 году.
Английские путешественники, авторы «Руин Пальмиры», сообщали, что в Пальмире они обнаружили только 18 домов. Жить им пришлось во дворе храма Баала. Но постепенно рядом с руинами вырос заново отстроенный город. В XIX и XX веках Пальмира вызывала большой интерес и большой приток посетителей.
