Первая попытка отвоевать Пальмиру была предпринята силами сирийской армии в июле-августе 2015 года. Восьмого июля Сирийская Арабская армия и «Национальные силы обороны» (NDF) при поддержке ВВС Сирии и проиранских формирований, состоящих из афганцев-хазарейцев «Лива Фатимиюн» и пакистанской «Лива Зейнабиюн» (оба подразделения в среде российских военных и бойцов ЧВК «Вагнер» получили наименование «фатимиды»), начали наступление на Пальмиру и уже к следующему дню контролировали позиции в 10 километрах от города. После ожесточенных боев к 13 июля спецназ сирийской армии «Силы тигра» занял район древних мраморных каменоломен к северо-западу от Пальмиры.
Согласно поступавшей тогда информации, сирийские войска находились менее чем в двух километрах от горы Джебель Касьюн, прикрывавшей исторический центр Пальмиры. Параллельно с действиями в районе Пальмиры 15 июля САА и Национальным силам обороны, продвигавшимся по южной оконечности прорыва боевиков, удалось занять фермы Аль-Машталь и руины замка Каср аль-Хейр аль-Гарби к югу от военной авиабазы Т-4. Также 15 июля боевые действия между ИГ и «Силами тигра» переместились к юго-востоку от древних каменоломен.
Бои вокруг Пальмиры продолжались 20 и 22 июля. Двадцать четвертого июля САА возобновила операции в направлении южного периметра каменоломен и начала продвижение в горных массивах Джебель ат-Тар и Джебель Хайян. Двадцать шестого июля сирийские правительственные войска заняли несколько возвышенностей в этих горных районах, с которых открывался вид на долину Пальмиры. Двадцать седьмого июля отряды сирийской армии при поддержке сил ливанского движения «Хезболла» после трехчасовой перестрелки заняли замок Фахр ад-Дина, в результате чего в рядах боевиков ИГ началась паника. Однако главари «Исламского государства» не хотели сдавать стратегически важный узел. Воспользовавшись растянутостью коммуникаций сирийской армии, силы ИГ смогли развернуть ход сражения в свою пользу, поставив всю Сирию на грань уничтожения.
Параллельно с отражением наступления сирийской армии на Пальмиру главари ИГ перебросили свежие силы на северное и южное направления — до 2 тысяч опытных боевиков из Ирака. Четвертого августа мобильные отряды ИГ одновременно начали контрнаступление с двух сторон пальмирского выступа — в районе горы Джебель Хамр аль-Джизель и древних каменоломен с севера, а также в районе стратегического населенного пункта Эль-Каръятейн с юга.
Главной целью боевиков был прорыв к трассе Хомс — Пальмира, чтобы тем самым замкнуть кольцо окружения сирийских войск под Пальмирой. Столкнувшись с высоким риском попасть в котел, армейскому командованию пришлось спешно перебрасывать силы на участки прорыва. Пятого августа САА удалось отразить нападение ИГ и вернуть большую часть утраченной территории на севере. Однако южная группировка войск не смогла отразить удар, и к вечеру 5 августа боевики овладели Эль-Каръятейном. На следующий же день отряды «Исламского государства» вывезли из города в неизвестном направлении 230 мирных жителей, в том числе по меньшей мере 60 христиан.
Падение Эль-Каръятейна вызвало окончательный коллапс южной части пальмирского выступа: к 8 августа боевики пробились еще дальше, захватив христианский город Мхин и поселение Хаварин. После резни, устроенной боевиками в городе, ИГ получило возможность прорваться к шоссе М-5 Дамаск — Алеппо, перерезав единственный крупный путь снабжения правительственных сил и раздробив надвое территорию, подконтрольную Дамаску. Кроме того, высока была вероятность продвижения боевиков к границе с Ливаном и расширения географии самопровозглашенного «халифата» ИГ.
В довершение всех бед сирийская армия стала стремительно терять контроль над газовыми месторождениями: 7 сентября отряды ИГ захватили поле Джазаль — последнее, которое контролировалось правительственными войсками. Таким образом, власти Сирии потеряли возможность добывать газ, необходимый для работы электростанций в центральной части страны, результатом чего стали стабильные веерные отключения энергосетей.
В этих условиях 30 сентября 2015 года Россия официально объявляет о начале военной операции в Сирии по просьбе законного правительства страны. С этого момента ситуация в районе Пальмиры начинает кардинально меняться.
В течение октября российские ВВС наносили удары по позициям боевиков в различных провинциях Сирии, оказывая воздушную поддержку действиям сирийской армии. Начиная с 9 октября Россия увеличила интенсивность вылетов боевой авиации в Сирии. За сутки с авиабазы Хмеймим было совершено 64 боевых вылета на самолетах Су-34, Су-24М и Су-25СМ по 55 объектам ИГ.