パルミラのアウレリアーノ
パルミラのイシス神殿で人々が祈っている(合唱「Sposa del grande Osiride」)。大祭司が現れ、凶兆が出たことを告げる。ゼノビアとアルサーチェは人々を励まし、ふたりの愛がイシス神を感動させることを願う(二重唱「Se tu m'ami, o mia regina」)。遠い軍隊ラッパの音とともにオラスペが登場し、ローマ軍がパルミラに迫っていることを告げると、アルサーチェはゼノビアとの別れを惜しんだ後に迎撃に向かう。大祭司はローマが勝利する運命にあることを知りつつも神の加護を祈る(「Stava, dirà la terra」)。
ローマ軍がペルシア軍との戦いに勝利し、兵士たちはアウレリアーノを讃える。捕虜となったアルサーチェに向かい、ペルシアがローマを裏切ってパルミラ側についたのはアルサーチェが恋に盲目になったためだとアウレリアーノは非難し、ゼノビアと縁を切るように要求するが、アルサーチェは拒絶する(二重唱「Pensa che festi a Roma」)。
パルミラは陥落し、人々は捕虜になる(合唱「Del Cielo, ahi miseri!」)。アウレリアーノはゼノビアに言いよるが、ゼノビアはあくまで拒絶する(二重唱「Se libertà t'è cara」)。リチニオとプブリアがやってきて、アルサーチェが脱走したと告げる。
ユーフラテス川の岸辺で羊飼いたちが歌う中、逃亡中のアルサーチェは自然を賛美する(「Perchè mai le luci aprimmo」)。しかしオラスペがやってきてゼノビアが捕虜になったことを告げると戦いを決意する。
アルサーチェの軍が攻めてきたと聞いたアウレリアーノは怒って迎撃にむかう(「Più non vedrà quel perfido」)。ふたたび敗北して逃走中のアルサーチェのもとに、オラスペに導かれてゼノビアがやってくる(二重唱「Mille sospiri e lagrime」)。ローマ軍に捕えられそうになったふたりは心中を図るが、アウレリアーノが止めにはいり、ふたりを引きはなす。
プブリアはアルサーチェを救うために自分の愛はあきらめようと決意し(「Non mi lagno che il mio bene」)、アウレリアーノに向かってふたりに慈悲をかけるように提言する。他の人々も慈悲を求める。アウレリアーノはふたりを呼んで、ローマに忠誠を誓うならばパルミラの統治を続けることを許す。アウレリアーノ、ゼノビア、アルサーチェの三重唱で幕が降りる。