Lorsqu’en septembre 270, Aurélien, militaire brillant, est proclamé empereur par les troupes du Danube, Zénobie nourrit, semble-t-il, l’espoir d’un partage du pouvoir à la tête de l’Empire, comme cela s’est déjà produit à plusieurs reprises. Des émissions monétaires d’Alexandrie et d’Antioche en témoignent clairement. Ainsi sur des monnaies d’Alexandrie, Aurélien et Wahballath figurent-ils l’un et l’autre, le premier avec le titre impérial (Augustus), le second seulement avec ses titres habituels de dux, « roi des rois » et imperator.
La tentative de Zénobie
Pendant ce temps, les troupes romaines de Zénobie progressent en Anatolie en direction des Détroits, sans doute parce qu’elle sait que seule la reconnaissance du Sénat de Rome stabilisera son pouvoir. Mais Aurélien refuse tout partage du pouvoir, ce qui pousse sans doute Zénobie à franchir le pas : peu après août 271, Wahballath figure seul sur les monnaies avec le titre d'Augustus et elle-même avec celui d’Augusta. Aurélien décide alors de marcher contre elle : dans le courant de 272, les troupes de Zénobie subissent trois défaites (à Immae, entre Antioche et Alep, à Antioche et à Emèse) avant que Palmyre ne tombe dans l’été. La ville n'avait pas de remparts et une partie des notables s’était ralliée à Aurélien.
L'affirmation du pouvoir d'Aurélien
Zénobie en fuite fut rattrapée sur les bords de l’Euphrate et emmenée à Rome pour figurer au triomphe d’Aurélien. Une brève révolte l’année suivante (273) fut étouffée sans peine et la ville partiellement pillée (mais l’archéologie n’a révélé aucune couche d’incendie systématique). Les institutions coloniales, qui n’avaient jamais cessé de fonctionner, restèrent en place, une garnison légionnaire fut installée à l’ouest de la ville et des remparts furent bientôt construits.