Зенобия родилась в 240 году. Скорее всего, происходила из знатной пальмирской семьи, однако различные легенды утверждают, что ее корни восходят к династии Птолемеев и даже к самой царице Клеопатре. Она была хорошо образована, увлекалась искусством и литературой, знала греческий, латынь, египетский и сирийские языки.
Мужем Зенобии был правитель Пальмирского царства Оденат II. В 260 году, после того как римский император Валериан попал в плен к персидскому царю Шапуру I и был зверски убит, Оденат взял власть над Сирией в свои руки и успешно сражался с персами. Во время военной кампании против империи Сасанидов Оденат взял города Эдессу, Низибис и Карры. Боевые успехи Одената привели к тому, что под его контролем оказалась почти вся Месопотамия. В 263 году он взял персидский титул «Царя царей» и назначил своего старшего сына Герода наследником и соправителем. Он пользовался большой поддержкой римского императора Галлиена (сына Валериана) и удостоился титула «Корректор Востока» с правом правления над римскими территориями от Черного моря до Сирии Палестинской.
При Оденате Пальмира, которая была объявлена римской колонией еще в 212 году, стала могущественной столицей Пальмирской империи. Оденат был готов и дальше расширять ее границы, однако погиб от рук заговорщиков в 267 году. Он был убит вместе с сыном Геродом двоюродным братом Меонием в стенах собственного дворца. В «Истории Августов» утверждается, что Зенобия могла быть в заговоре с Меонием, так как хотела сделать наследником престола своего сына Вабаллата и убрать с пути Герода, который был ребенком Одената от первой жены. Версия эта представляется крайне сомнительной ввиду малой достоверности источника. Меоний и другие участники переворота вскоре были убиты, и правителем Пальмиры оказался малолетний Вабаллат. Царица Зенобия стала при нем регентшей и быстро подчинила себе всю реальную власть.
Ко времени убийства Одената в Риме еще продолжался политический и экономический кризис. Границы империи постоянно подвергались атакам, и Риму приходилось неусыпно бороться за их удержание, что ухудшало его и без того тяжелое положение. Поэтому когда император Галлиен не согласился на требование Зенобии подтвердить ее сыну все титулы, дарованные Римом Оденату, она решилась восстать. Министры также были на стороне царицы — нужно вырвать империю из лап римлян. Но Зенобия дерзнула не только объявить независимость от Рима. Она начала военный поход с целью захватить римские территории и на Востоке и упрочить свое могущество.
Сначала она аннексировала соседние земли, взяв под контроль всю Сирию и восточную часть Малой Азии. В начале 270 года, пока римский император Клавдий II сражался с варварами, войска Зенобии двинулись на Египет и захватили Александрию. Вскоре военачальники Тимаген и Септимия Забда подчинили для Зенобии весь Египет. Поставки египетского зерна в империю Клавдия прекратились. Царица начала думать о том, что со временем сможет подчинить себе даже Италию и захватить ослабевший Рим.
В марте 270 года Клавдий умер от чумы, и власть над Римом перешла к Аврелиану, который начал свое правление с укрепления позиций Рима на принадлежащих ему территориях. За короткий срок своего правления, длившийся всего пять лет, он успел восстановить дунайские границы Римской империи, отразить варварское нашествие на севере Италии, а также усмирить непослушную Галлию.
Тем временем Зенобия продолжила покорение Малой Азии и дошла до Босфора. Царице удалось завладеть вторым морским путем, который давал ей неслыханные возможности для ведения торговли. Летом 271 года Зенобия и ее сын провозгласили себя императрицей и императором Востока. Настало время наивысшей славы Зенобии. Пальмира чеканила монеты с изображением ее и сына. Царство Зенобии достигло небывалого культурного развития. Правительница окружила себя философами и интеллектуалами, вкладывала значительные средства в искусство и архитектуру Пальмиры, а также реставрировала один из Колоссов Мемнона в Египте.
Аврелиан был хорошо осведомлен об успехах Зенобии. Зарвавшуюся царицу, считал он, нужно как можно скорее поставить на место. Осенью 271 года он начал поход против Зенобии. Перезимовав в Византии, он легко подчинил и вернул себе все города Малой Азии, одержал крупные победы в битвах при Антиохии и Эмесе. К июню 272 года была восстановлена римская власть в Египте, пала Александрия. Остатки армии Зенобии в спешном порядке вернулись в Пальмиру защищать город. После завоевания Сирии Аврелиан направился к стенам Пальмиры и начал осаду. Зенобия надеялась, что Аврелиан не сможет надолго блокировать город и заключит с ней мир, однако он нашел способ перерезать пути поступления воды и продовольствия в Пальмиру, сильно ухудшив положение защитников города.
Согласно «Истории Августов», император Аврелиан отправил Зенобии послание, в котором требовал сдаться и обещал сохранить ей жизнь. «Ты, Зенобия, будешь жить вместе со своими в том месте, куда я помещу тебя согласно решению блистательного сената, — писал он. — Пальмирцам будут оставлены их права». Однако Зенобия не согласилась с условиями римского полководца. В ответном письме она якобы написала: «Ты предлагаешь мне сдаться, как будто не знаешь, что царица Клеопатра предпочла умереть, а не жить в каком угодно почете».
Ошеломленный этим отпором, Аврелиан усилил давление на осажденный город. В отчаянии царица попыталась сбежать, чтобы попросить помощи у персов, но была схвачена и доставлена к ногам императора. Это известие окончательно сломило защитников Пальмиры. Они сложили оружие и передали власть над городом Аврелиану.
Дальнейшая судьба Зенобии неясна. Арабские тексты утверждают, что она не выдержала позора и покончила с собой. Византийский историк конца V века Зосим пишет, что царица заболела и умерла по дороге в Рим. Но большинство сведений сводится к тому, что Зенобия вместе со своими детьми живой и здоровой была доставлена в столицу империи.
То, что когда-то не удалось сделать с Клеопатрой Октавиану Августу, получилось совершить императору Аврелиану: он провел восточную пленницу по улицам Рима, скованную золотыми цепями, во время своего триумфа. Эдвард Гиббон красочно описал этот момент в своей «История упадка и разрушения Римской империи»: «Красота Зенобии была заключена в оковы из золота; шею царицы охватывала золотая цепь, которую поддерживал раб, и Зенобия едва не падала под непосильной тяжестью драгоценностей. Она шла впереди великолепной колесницы, на которой когда-то надеялась въехать в ворота Рима».
Затем, согласно одним источникам, царица и ее наследники были обезглавлены, согласно другим, — она прожила долго в поместье Тибур возле Рима и даже вышла замуж за римского сенатора. Зенобии не удалось захватить Рим. Но она захватила воображение многих поколений писателей, историков и художников, которых будоражила история женщины, бросившей вызов Римской империи. Историк Михаил Ростовцев писал, что даже российская императрица Екатерина Великая любила сравнивать себя с Зенобией как властительницей, создавшей мощную армию и способствовавшей развитию культуры.