Развязка наступила 20 мая: полностью захватив Аль-Амирию, ИГ сумело продвинуться в Пальмиру с севера и северо-востока и занять треть города. Атаки боевиков в остальных секторах обороны были остановлены, однако прибывшее подкрепление ИГ в размере 800 боевиков довершило прорыв в город. К середине дня боевики полностью контролировали Пальмиру, кроме здания городской тюрьмы на востоке и штаба военной разведки на западе. Уже к вечеру все сирийские вооруженные силы были выведены из города на его окраины, а боевики ИГ закрепились в районе аэропорта Тадмора.
Двадцать первого мая силы ИГ вошли в археологический комплекс Пальмиры. Параллельно с этим боевики захватили КПП «Эт-Танф», который был последним пограничным переходом с Ираком, контролируемым сирийской армией. В период с 23 по 24 мая боевики продвинулись в район Телль ас-Саввана и захватили старую базу ракетно-воздушного батальона на дороге Пальмира — Хомс, в результате чего в плен попали 22 военнослужащих.
Двадцать пятого мая боевики ИГ атаковали район нефтяного месторождения Джазаль для обеспечения контроля за стратегическими газовыми полями, которые снабжают электроэнергией и газом западную часть страны. После четырех часов боев штурм был отражен, но бои за Джазаль продолжились и далее. Зато в результате прорыва ИГ к 26 мая линия фронта сместилась в район Фруклуса, Эль-Каръятейна и Тияса.
Падение Пальмиры сопровождалось многочисленными преступлениями и зверствами, совершаемыми боевиками ИГ. Вот лишь неполный перечень преступлений, в которых были повинны исламисты.
Практически сразу после захвата города ИГ приступило к массовым чисткам и казням среди жителей, которые не успели эвакуироваться из Пальмиры. Исламисты проводили поквартирные обыски, чтобы найти и убить всех сторонников правительства или беглых солдат. Двадцать второго мая 2015 года различные источники сообщили о том, что боевики казнили от 150 до 280 сторонников правительства президента Башара Асада и солдат. Казни проводились прямо на улицах и городской площади посредством огнестрельного оружия или обезглавливания, еще 600 человек позже были задержаны и казнены.
Чуть больше чем через месяц после захвата города боевики приступили к методичному и безжалостному разрушению древностей Пальмиры, памятников культурного наследия ЮНЕСКО. Двадцать седьмого июня была снесена статуя Лев Аллат, 23 августа был взорван храм Баалшамина, 30 августа 2015 года исламисты взорвали храма Бэла, разрушив его главное святилище. Четвертого сентября были уничтожены три погребальные башни в пальмирской Долине гробниц. Но самым варварским деянием исламистов стало уничтожение символа Пальмиры — Триумфальной арки эпохи Древнего Рима, которая была взорвана 5 октября 2015 года.
Кроме того, археологический комплекс Пальмиры стал еще одной ареной кровавого пиара боевиков ИГ. В начале июля 2015 года террористическая организация выпустила видео, на котором 25 завербованных в ИГ подростков казнили взрослых пленников на сцене амфитеатра Пальмиры.
Еще один удар исламистов пришелся на национальный музей Пальмиры, где были собраны уникальные экспонаты и археологические находки. В поисках золота и других сокровищ террористы убили главного смотрителя музея Халеда аль-Асаада — видного археолога, который не покинул древний город, изучению которого посвятил всю свою жизнь. Его останки будут обнаружены в братских могилах вокруг Тадмора только после окончательного освобождения города.
Тревогой за культурное наследие Пальмиры не исчерпывался весь спектр проблем, навалившихся на сирийские правительственные силы после массированного прорыва боевиков. Во-первых, город находится на перекрестке крупных магистралей и основных коммуникаций, в первую очередь шоссе Дамаск — Дейр эз-Зор, перерезанное боевиками. Вопрос контроля над Пальмирой, таким образом, переквалифицировался в вопрос контроля над всей Центральной Сирией.
Во-вторых, нельзя забывать и об экономической инфраструктуре вокруг древнего города. Нефтегазовые месторождения Пальмиры не так сильно развиты, в отличие, например, от промыслов в Дейр эз-Зоре или Ракке. Тем не менее, на газовые поля Джазаль (на тот момент частично занятые боевиками), а также установки в Аш-Шаире и Телль ас-Савване приходится порядка 60 % добычи ресурсов во всей провинции Хомс и электропитание всей центральной части страны. Таким образом, помимо очевидного стратегического преимущества в войне с боевиками сирийская армия должна была обезопасить месторождения от набегов ИГ.