В 34 г. до и. э. город завоевали римляне; однако он не вошел в состав Римской империи, а сохранил автономию. В 260 г. и. э. его правитель Оденай Великий получил от римского императора титул императора и дука (вождя) римлян на Востоке за победу над персидским монархом Шампурой. Однако вскоре Оденай погиб в результате дворцового переворота, организованного его женой Зенобией. По преданию, Зенобия была ослепительной красавицей, но имела твердый характер и жестокий нрав. В правление Зенобии к Пальмире был присоединен ряд провинций Сирии, Аравии и Египта. С середины III в. Пальмира стала вести самостоятельную политику, восстав против римлян. В 273 г. ее осадило римское войско под водительством императора Аврелиана. После недолгого сопротивления город пал. Предание гласит, что Зенобию заковали в золотые цепи, она должна была, как побежденная, следовать за колесницей Аврелиана, но этого не случилось — она погибла… Обстоятельства ее смерти неизвестны. По распоряжению Аврелиана были уничтожены все портреты и скульптурные изображения Зенобии…
В дальнейшем торговля пришла в упадок, а в 634 г. Пальмиру захватили арабы. В 1132–1133 г. пришли новые захватчики — сельджуки, которые разрушили многие храмы; комплекс святилищ бога Бела был превращен в крепость.
Землетрясения завершили разрушение Пальмиры. Постепенно город покидали жители; уже не восстанавливали некогда роскошные храмы, не расчищали улицы, заваленные камнями.
Сама память о могущественном государстве, о прекрасном городе стерлась. Только в XVII в. итальянцем Пьетро делла Валле были найдены руины Пальмиры.
Архитектура Пальмиры, ее живопись и скульптура представляют неповторимое слияние культур Востока и Запада. Великолепие и своеобразие Пальмиры породили легенду о том, что город был воздвигнут сказочными арабскими духами-джиннами в подарок царю Соломону.
Дорога, ведущая из Хомса (древней Эмессы), приводит сначала в город мертвых, где находятся некрополи I–III вв. На юго-востоке расположено святилище бога Бела — главного божества Пальмиры, черты которого, как и бога Баальшамина, схожи с Зевсом. Воздвигать святилища бога Бела начали в 32 г., и строительство продолжалось около 200 лет. На северо-западе воздвигнут храм богини Аллат, имевшей много общего с Афиной. Главная магистраль города — Большая Колоннада — имеет длину 1100 м. Высота колонн — 9,5 м, их диаметр — 0,95 м. Колоннада завершается монументальной аркой. Южнее расположен храм бога Набо. Сохранились статуи трех главных божеств: Бела, Яргибола (солнечное божество) и Аглибола (лунное божество). В руинах храм знамен, погребальный храм, храм безымянного бога, центральный бассейн терм, окруженный колоннадой, христианские базилики более поздней постройки. Город окружен крепостной стеной. На ближнем холме развалины турецкого замка.
Прошлое города, его искусство, письменность становятся все более известны благодаря работам многочисленных археологических экспедиций. Уже после открытия Пальмиры, в XVII в., ее руины неоднократно посещали путешественники-исследователи. В 1753 г. участники английской этнографической экспедиции Г. Доукинсон и Р. Вуд провели первые исследования пальмирского диалекта. Однако систематические научные исследования Пальмиры были начаты лишь в 1900 г. Русским археологическим институтом в Константинополе. Работы возглавляли археологи Ф. Ю. Успенский, Б. В. Фармаковский и П. К. Коковцева. Позже в Пальмире работали немецкие, французские, датские, швейцарские археологи и сирийские ученые С. Абдул-Хак и А. Бунин. В последнее время в раскопках участвуют польские археологи. Немало открытий сделано ими. В «Городе мертвых», или «Долине гробниц», была обнаружена система планировки подземных кладбищ. Вначале погребения производились в подземельях, и только тогда, когда они были заполнены, усопших стали хоронить в башнях, над подземельями. При раскопках широко исследовалась надгробная скульптура, ее иконографические детали (прически, характер драгоценных украшений и т. и.).
Ранние археологические экспедиции не находили в Пальмире металлических украшений и предметов обихода, в древности их переплавили арабы для изготовления оружия; более того, в поисках металлических скреп, которыми соединялись отдельные блоки зданий и колонн, арабы выдалбливали отверстия в стенах храмов и колоннах… Находка польскими археологами в 1960 г. сосуда с женскими украшениями стала сенсацией. Там же найдены золотые монеты — 37 солидов периода 602–630 гг.