Następnego dnia syryjscy żołnierze i bojownicy Hezbollahu wspólnie obsadzili dwa wzgórza w pobliżu Cytadeli Tadmur.
20 marca Syryjczycy zdobyli dwa wzgórza z widokiem na drogę Asrijja–Palmyra, tym samym odcinając jedną z głównych tras zaopatrzeniowych ISIS. 21 marca bojownicy Hezbollahu przejęli wzgórze At-Tarr, lecz tego dnia w incydencie friendly fire zginęło 17 Syryjczyków. W tym czasie do walczących dołączył irański oddział sił specjalnych i towarzyszący mu szyiccy ochotnicy. 22 marca do bitwy włączyli się też bojownicy NDF. Tegoż dnia Syryjczycy przejęli kontrolę nad ważnym skrzyżowaniem dróg, nazywanym trójkątem palmyrskim.
Od 24 marca walki trwały już w samym mieście. Oddziały syryjskiej armii i Hezbollahu skierowali się na budynki, w których rezydowali terroryści ISIS, w tym hotel. 26 marca żołnierze zdobyli osiedle Al-Amirijja w północnej części miasta, jak i przejęli kontrolę nad stanowiskami archeologicznymi. Terroryści pozostawiali za sobą bomby samochodowe i miny, ewakuując się do miejscowości As-Suchna.
26 marca żołnierzy pod Palmyrą odwiedził generał Ali Abdullah Ajjub, szef sztabu generalnego. 27 marca 2016 syryjska armia ogłosiła pełne wyzwolenie tego miasta.