يقع معبد بعلشمين جنوب فندق زنوبيا بأطراف مدينة تدمر بريف حمص الشرقي، تأسس المعبد في سنة 17 ميلادية ، ولكن التعديلات عليه استمرت حتى القرن الثالث.
يُعد معبد بعلشمين أصغر بكثير بالمقارنة بمعبد بل كما يقع بعيداً عن الشارع المعمد، وهو أمر مثير للدهشة بالنظر لوظيفة المعبد، حيث خُصص المعبد لبعلشمين رب السماوات من الآلهة السامية.
بعلشمين هو إله فينيقي يعود إلى الألف الثاني قبل الميلاد، سماه اليونان زيوس، ووصفه التدمريون بسيد السماء وإله الخصب والنماء والنبع. بنى معبد بعلشمين مالي بن يرحاي، ويؤرخ نص منقوش على العمود الثاني من رواق المعبد بناءه في عام 130 ميلادي. وقد شُيد فوق معبد آخر أقدم منه يعود إلى بداية القرن الأول، وتحول المعبد في القرن الخامس الميلادي إلى كنيسة بيزنطية.
وبغض النظر عن هذه الاختلافات فإن هذين المعبدين يشتركان في بعض السمات المشتركة فكلا المعبدين مبنيان على الطراز الإغريقي الروماني وزُينا بزخارف سورية وكلاهما عُبد فيه بعلشمين وبل ويرحيبول وعجليبول وبعض الآلهة الأقل أهمية وكلاهما حُوّل لكنيسة في العصر البيزنطي.
تم العثور على بقايا مبان أخرى مثيرة للاهتمام حول المعبد، وقد تعرف الباحثون في الموقع على أنقاض منازل رومانية وكنائس بيزنطية، وجزء من سورسابق للمدينة وضريح يعود تاريخه لسنة 236 ميلادية. هذا الضريح يخص عائلة بيت مارونا (Marona) وهي عائلة أرستقراطية من التجار الأثرياء.
لم يبق من المعبد سوى الهيكل، وهو عبارة عن قاعة مستطيلة، أمامها رواق فيه ستة أعمدة. وله باحتان تحيط بهما الأروقة. ودُمر المعبد للأسف على يد تنظيم داعش بتاريخ 23-8-2015 وبذلك فُقد أحد أهم وأجمل المعابد في مدينة تدمر الأثرية المسجلة على قائمة التراث العالمي عام 1980.