Po tych wydarzeniach, mimo późniejszej odbudowy, Palmyra nigdy już nie odzyskała dotychczasowej świetności, choć wiadomo, iż do najazdu arabskiego była siedzibą biskupstwa założonego w III lub IV wiekuEncyklopedia katolicka, t. XIV, kol. 1183. W dalszych stuleciach pełniła rolę prowincjonalnej placówki handlowej i siedziby garnizonu wojskowego, m.in. w funkcji warownego obozu wojskowego (powstałego w 293 n.e.) w systemie obronnym cesarza Dioklecjana; stacjonowały tu kolejno garnizony: rzymskie, bizantyjskie i umajjadzkie. Od Jana Malalasa (Chronographia XVIII, 152 ; 424-425) wiadomo, że cesarz Justynian wysłał w 527 roku gubernatora z zadaniem odbudowania i odnowienia zrujnowanych chrześcijańskich świątyń i ważniejszych budynków Palmyry. W 634 miasto bez walki poddało się wojskom Chalida ibn al-Walida, jednego z wodzów kalifa Abu Bakra. Jego funkcjonowanie zakończyło ostatecznie zniszczenie przez Arabów w roku 744 i trzęsienie ziemi. W późniejszym okresie istniało tylko jako zapomniana, zagubiona na pustyni wieś, zamieszkiwana przez grupy półkoczowników. Ponowne odkrycie nastąpiło pod koniec XVII wieku, zaś od XVIII wieku datują się poszukiwania i badania archeologiczne.