Odaenathus underla seg alle formaliteter overfor keiseren, men i praksis styrte han som en uavhengig monark. I 266 satte han i gang en andre invasjon mot Persia, men måtte avbryte kampanjen og marsjere nordover mot Bitynia i Anatolia for å slå tilbake en gotisk beleiring av byen Heraklea Pontika (dagens tyrkiske by Karadeniz Ereğli). Han ble myrdet under uklare omstendigheter i 267 sammen med sin sønn Hairan. Identiteten til gjerningsmennene er ukjente, men mange spekulasjoner eksisterer i de antikke kildene. Han ble etterfulgt av sin sønn Vaballathus som han hadde med sine andre hustru Zenobia. Hun benyttet den makten og autoriteten som var blitt etablert av Odaenathus til etablere og konsolidere det palmyrenske riket i 270.