Le 20 octobre 2011, alors que Mouammar Kadhafi quitte Syrte, dernier bastion tenu par ses partisans, son convoi est obligé de changer de route par un tir des avions de l\’OTAN, puis se retrouve piégé dans une embuscade. Il est capturé vivant selon plusieurs recoupements mais sa mort est par la suite annoncée par un haut responsable militaire du CNT. Des images de la capture de Kadhafi montrent ce dernier, visiblement hagard et le visage ensanglanté, en train d\’être malmené et frappé. Les corps de Mouammar Kadhafi et de son fils Moatassem, tué lui aussi le 20 octobre à Syrte, sont exposés le 21 octobre à Misrata.
Le 25 octobre 2011, à l\’aube, Mouammar Kadhafi et son fils Moatassem sont inhumés dans le désert libyen, dans un lieu tenu secret. La communauté internationale a salué la mort de Kadhafi. Human Rights Watch publie en octobre 2012 un rapport estimant que Kadhafi a été exécuté après sa capture, et non tué dans un échange de tirs. D\’autres sources précisent que Kadhafi a été tué par un agent étranger, probablement français. Des rumeurs en provenance de Libye affirment que l\’opération aurait été menée pour éviter tout interrogatoire de Kadhafi au sujet de ses liens avec Nicolas Sarkozy, voire que Bachar el-Assad aurait prêté main-forte aux Français pour localiser Kadhafi.