Сирийская правительственная армия 27 марта 2016 года полностью освободила Пальмиру от террористов ИГИЛ. За сутки ВКС России совершили 40 боевых вылетов в район Пальмиры и нанесли удары по 117 военным объектам террористов. Уничтожены 8 пунктов управления, 12 опорных пунктов, более 80 боевиков, 2 танка, 3 артиллерийских установки, 8 единиц автомобильной техники и 6 складов с боеприпасами.

Начальник Генерального штаба Вооруженных сил России Валерий Герасимов 28 марта 2016 года сообщил, что Пальмира освобождена при участии ВКС России, российского спецназа и военных советников. В этот день в центре Пальмиры в 15:00 по местному времени был поднят государственный флаг Сирии.

Согласно распоряжению Президента России Владимира Путина, в разминировании города приняли участие Международный противоминный центр Вооруженных Сил России, а в реставрации исторических памятников города - Государственный Эрмитаж. Архитектурно-историческую часть Пальмиры российские специалисты полностью разминировали к 21 апреля 2016 года.

В период с 7 по 27 марта в интересах подразделений правительственных войск в районе Пальмиры российская авиация выполнила около 500 боевых вылетов, в ходе которых по террористам ИГИЛ было нанесено более 2 000 авиационных ударов. ВКС России ежедневно уничтожали автомобильные колонны с боевиками и боеприпасами, которые пытались прорваться в Пальмиру со стороны Ракки и Дейр-эз-Зора. Помимо этого, стало официально известно о применении российскими ВКС на направлении «Пальмира» вертолетов Ми-28 «Ночной охотник».

Симфонический оркестр Мариинского театра под руководством Валерия Гергиева 5 мая 2016 года дал концерт под названием «С молитвой о Пальмире» в древнем амфитеатре сирийского города Пальмиры, освобожденной сирийской правительственной армией при поддержке российских ВКС от террористической организации ИГИЛ.

Концерт был приурочен ко Дню Победы и посвящен памяти казненного боевиками ИГИЛ смотрителя Пальмиры Халеда Асаада и российского офицера Героя Российской Федерации Александра Прохоренко, погибшего при освобождении Пальмиры. Министерство обороны России учредило медали «За освобождение Пальмиры» и «За разминирование Пальмиры».

В декабре 2016 года вновь вспыхнули ожесточенные бои за Пальмиру, 8 декабря на этом участке фронта погиб командир российского батальона майор Санал Санчиров. По сообщению издания «Аль-Маздар», 11 декабря 2016 года отряды вооруженных формирований «Исламского государства» взяли под свой контроль Пальмиру и 12 декабря 2016 года продолжили наступление в западном от Пальмиры направлении.

По данным издания, террористы также захватили населенные пункты аль-Байярат и ад-Давва к западу от Пальмиры и нефтяное месторождение Хайян. По словам Талала Барази, губернатора провинции Хомс, в которой находится Пальмира, из города были эвакуированы 80% населения.

Подготовка к новому освобождению Пальмиры продолжалась месяц, однако сама операция заняла 24 часа. Операцию спланировали и руководили ею российские военные инструкторы. Основной вклад в освобождение Пальмиры внесли российская авиация и Силы специальных операций. Пальмира была возвращена под контроль правительства Сирии 2 марта 2017 года.