В итоге судьба Пальмирской империи решилась в двух битвах. Зенобия активно участвовала в обеих и обе проиграла. Сначала армия Зенобии потерпела поражение под Антиохией в 271 году. Войско Зенобии, доходившее до 70 тысяч человек, отступило и в кровопролитной битве при Эмессе (уже в 272 году) Зенобии удалось обратить в бегство римскую конницу, но легионы Аврелиана все же смогли одержать победу над армией мятежной царицы. Почувствовав близость крупных неприятностей, ее союзники предпочли бросить Зенобию и скрыться. Немногочисленные верные части во главе с царицей отступили в Пальмиру и укрылись за ее высокими стенами.
Стены вокруг Пальмиры появились уже при Оденате и царице Зенобии, их общая протяженность составляла около двенадцати километров. Любопытно, что до этого город не имел укреплений.
Осада Пальмиры оказалась для римлян непростым испытанием. Несмотря на победы, силы армии Аврелиана были истощены, ведь активная фаза войны между Римом и Пальмирским царством длилась уже два года. Пальмирцы же защищались ожесточенно и были хорошо оснащены. В письме в Рим император доносил, что нет такого места на городской стене, где бы не стояли по две или три баллисты. Метательные орудия выбрасывали на головы нападавших даже огонь. На римлян обрушивались тысячи стрел, одной из которых был ранен сам Аврелиан. Свою роль сыграли и сирийские разбойники, внезапные набеги которых римские войска отражали с большим трудом. Кроме того, по донесениям из Рима, в других местах империи возникали очаги войны, которые нужно было гасить.
В этих условиях император решил пойти на переговоры. Аврелиан послал Зенобии такое письмо: «Аврелиан, император Римского государства, отвоевавший Восток, Зенобии и всем, кто воюет сообща с ней. Вы должны были бы сами сделать то, чего я требую от вас теперь в моем письме. Я повелеваю вам сдаться и обещаю сохранить неприкосновенной вашу жизнь, причем ты, Зенобия, будешь жить вместе со своими близкими там, куда я помещу тебя согласно решению блистательного сената. Драгоценные камни, золото, серебро, шелк, коней, верблюдов вы должны передать в римское государственное казначейство. Пальмирцам будут оставлены их права».
Получив это письмо, Зенобия ответила более гордо и высокомерно, чем позволяло ее положение.
«Зенобия, царица Востока, Аврелиану Августу. Никто, кроме тебя, до сих пор не просил в письме того, чего требуешь ты. На войне все решает доблесть. Ты предлагаешь мне сдаться, как будто не знаешь, что царица Клеопатра предпочла умереть, но не жить в безразлично каком почете. Персы не отказываются прислать мне на помощь войска, и мы уже ждем их; за нас стоят сарацины, за нас – армяне, а твое войско, Аврелиан, победили сирийские разбойники. Что же? Если соберутся все вооруженные силы, которые мы ждем со всех сторон, тебе придется отказаться от той надменности, с какой ты повелеваешь мне теперь сдаться, как будто ты в полной мере победитель».
В итоге переговоры ни к чему не привели. Это подтолкнуло Аврелиана к более активным и гибким действиям. Он стянул все свои силы и взял Пальмиру в тесное кольцо, предварительно подкупом и угрозами склонив на свою сторону армянскую и сарацинскую конницу. Персы же предпочли не ввязываться в военные действия крупными силами и заняли выжидательную позицию. Те же небольшие отряды, которые они выслали в помощь Зенобии, Аврелиан перехватил по дороге к Пальмире.
Поняв безвыходность положения, Зенобия решила бежать вместе с сыном на боевых верблюдах. Ей не хватило буквально нескольких минут, чтобы уплыть на персидском судне, поджидавшем ее на берегу Евфрата. Римская конница настигла царицу, когда та садилась на корабль, и ее с торжеством доставили в лагерь. Защитники Пальмиры, лишившись царицы, капитулировали.
Установив мир на всем Востоке, Аврелиан вернулся как победитель в Рим. Зенобию он взял с собой вместе с другими пленниками и захваченными сокровищами Пальмиры. По дороге в Рим Зенобия потеряла своего сына – Вабаллат умер от болезней и тягот пути.