奥勒良皇帝行军越过埃米萨和帕尔米拉之间的沙漠地区，不断受到阿拉伯人的袭扰，不得不让军队，尤其是行李和辎重，避开那些行动剽悍的匪徒积极而大胆的抢劫。他们看准时机发起袭击，得手后很快逃脱军团迟缓的追击。围攻帕尔米拉才是最困难也是最重要的任务，这位精力过人的皇帝亲自参与进攻，身体被标枪刺伤。奥勒良在一封信上写道：
罗马人民总以开玩笑的口气，谈起我跟这位女人所进行的战争。他们根本不了解芝诺比娅的性格和她的力量，她为防御作战做的准备工作非常周全。石块、弓弩和各种投射武器多得算不清。每一小段城墙就配置两到三门弩炮，也可以用小型投射器投掷燃烧的火球。她害怕受到惩处所以不惜死拼到底，但是，我仍然信赖罗马的神明给我的护佑，使我能够完成当前的工作。
然而，神明的保佑终归有限，围攻的成败也无法预料。奥勒良认为最合理的办法是提出有利的投降条件，女王可以很光彩地退位，市民仍旧保有古老的权益。他的意见被严词拒绝，同时伴随着侮辱性的言辞。
芝诺比娅之所以表示出坚决的态度，是因为她认为在短期内，罗马大军受不了饥馑的压力，就会循着沙漠原来的路线退兵。更有信心的是东方的君主不会坐视，特别是波斯的国王，必然会出兵保护这位作为屏障的盟友。但奥勒良的幸运和坚毅克服了许多困难，就在这个关键时刻，沙普尔逝世[665]使波斯的权贵无暇他顾，只能派遣有限的援军前来解帕尔米拉之围。皇帝或用武力对付，或很慷慨地花钱收买，很容易地就令他们全部无功而返。从叙利亚各地派遣按时出发的运输队，陆续不断地安全抵达皇帝的营地，再加上在埃及获得胜利的军队，在普罗布斯率领下全部归建。芝诺比娅到此时才决定逃走。她骑上速度最快的单峰驼，已快要到达幼发拉底河的河岸，但还是在离开帕尔米拉大约有60英里的地方，被奥勒良的轻骑兵追上，当作俘虏送到皇帝尊前。她的首都不久以后投降（273 A.D.），出乎意料得到宽大的处理。兵器、马匹、骆驼以及大量的黄金、银块、丝绸和珠宝，全部归胜利者所有，只留下600名弓弩手编成的守备部队。皇帝回到埃米萨，花了很多时间对东方行省进行赏功罚罪。有些行省在瓦莱里安被俘后，就对罗马失去忠诚之心，等到帝国获得战争的胜利，又重新归顺到罗马属下。