El 13 de mayo, los terroristas se aprovecharon del repliegue del ejército hacia la provincia de Idlib el día anterior —en donde los rebeldes habían lanzado otra ofensiva—[3] y atacaron a Palmira en dos frentes.
Posteriormente, Estado Islámico se hizo con todos los puestos del Ejército sirio entre Al-Sukhnah y Palmira.
[11] Según una fuente oficialista, el Ejército sirio lanzó un contraataque, recapturando Amiriya y el puesto de control Muktab Al-Dour.
Al final del día, Estado Islámico todavía controlaba la ruta entre de Deir ez Zor y Al-Sukhnah.
[11] El primer día de combates se saldó con 70 soldados y 40 terroristas muertos, incluyendo a su comandante.
Los terroristas lograron ingresar a los barrios más orientales de la urbe, pero fueron expulsados por las tropas del ejército.
[7] El 15 de mayo, el ejército envió refuerzos a Palmira, con Estado Islámico a 1 km del sitio arqueológico, pero se retiraron de los barrios del este hasta 2 km, donde las luchas continuaban, ya que el ejército había lanzado una contraofensiva.
Al atardecer, las unidades del ejército continuaron sus ataques en Al-Sukhnah, llegando a las afueras de la ciudad.
Refuerzos de la unidad especial Suqur al-Sahara se unieron a las fuerzas gubernamentales.
Asimismo, las tropas gubernamentales recapturaron el Castillo de Palmira, la colina SyriaTel y Burj al-Ishara.
Esta operación de rescate fue liderada por el experto holandés en patrimonio René Teijgeler.
El 21 de mayo, los terroristas ingresaron a las ruinas[12] y capturaron At Tanf, el último paso fronterizo con Irak que se encontraba en manos del Gobierno.