Перемирие продлилось девять лет. В 253 г. персидская армия вновь перешла римскую границу. Дать персам отпор римляне не могли. На троне империи в это время царил настоящий хаос; за четыре года, предшествовавшие вторжению, в Риме сменилось четыре императора (Деций (249–251), Требониан Галл (251–253), Эмилиан (253) и Валериан (253–260)), не считая их соправителей и узурпаторов, которые также формально считались императорами. Вся эта императорская чехарда происходила на фоне непрекращавшихся вторжений на территорию империи германских и других племен на рейнско-дунайской границе. Иначе говоря, момент для начала новой войны с Римом был выбран Шапуром I весьма удачно.
Персидское войско форсировало Евфрат и начало движение на запад, в направлении Антиохии. Ввиду отсутствия здесь представителей центральной военной администрации роль организатора обороны взял на себя легат Сирии. Первая крупная битва произошла близ города Барбалиссы на правом берегу Евфрата. Римское войско численностью около 60 тысяч человек потерпело поражение, после чего путь персам в Сирию был открыт. Были взяты Антиохия и другие сирийские города. После разорения римских владений персы вернулись домой.
Тем временем ситуация в Риме вроде бы начала стабилизироваться. В 253 г. к власти здесь пришел император Публий Лициний Валериан (253–260), находившийся, правда, уже в достаточно преклонном возрасте (на момент вступления на престол ему было 63 года). Для налаживания более эффективного управления разваливавшейся на части империей и организации обороны ее границ Валериан назначил соправителем своего сына Галлиена, правившего в западной части империи, а сам отправился на восток, где ситуация была более сложной. В течение нескольких лет Валериан занимался укреплением римских рубежей в Азии и подготовкой к отражению очередного нападения персов.
В 260 г. войска Шапура I вновь перешли римскую границу. Императорская армия под командованием самого Валериана вышла навстречу противнику. Решающее сражение произошло в Северной Месопотамии, под Эдессой. Войско Валериана, несмотря на все проведенные им подготовительные мероприятия, потерпело сокрушительное поражение, а сам император попал в плен, что было единственным случаем за всю историю римско-персидских войн. И если даже, как гласит одна из версий, Валериан был пленен вероломно, во время переговоров, это отнюдь не умаляет военного успеха персов. Согласно одной из версий, находясь в плену, Валериан должен был выполнять при Шапуре роль раба и подставлять ему спину в качестве опоры всякий раз, когда тот садился на коня. Точное время гибели Валериана в персидском плену неизвестно. По некоторым данным (Agath. IV. 23), бывший император умер мученической смертью: с него живьем была снята кожа, что являлось одним из излюбленных способов казни у персов.
Этим событиям в Персии придавалось огромное (в первую очередь — идеологическое) значение, что подтверждается четырьмя монументальными рельефными композициями, созданными в разных районах Персии (наиболее известным из них является рельеф в Накш-и-Рустаме, изображающий Валериана, стоящего на коленях перед восседающим на коне Шапуром), а также письменными источниками (Euseb.
После поражения под Эдессой Сирия опять оказалась беззащитной перед лицом персидского нашествия. Армия Шапура вновь захватила сирийскую столицу — Антиохию. Как следует из источников, это произошло настолько неожиданно, что жители города даже не успели понять, что он уже находится под контролем персов. Подробно о захвате персами Антиохии сообщает римский историк Аммиан Марцеллин: