Alors que se poursuivent les combats contre les rebelles, Mouammar Kadhafi assure, à plusieurs reprises, qu’il ne quittera jamais son pays. Des pourparlers secrets entre les rebelles et les représentants du régime auraient eu lieu, notamment à Djerba (en Tunisie) en août 2011. Le 14 août 2011, les rebelles réalisent une grande avancée dans l’Ouest. Alors que Mouammar Kadhafi exhorte ses partisans à « marcher par millions » pour « libérer les villes détruites », les rebelles encerclent la capitale, Tripoli, dans laquelle ils pénètrent le 21 août. Introuvable, Kadhafi déclare dans un message sonore avoir effectué un retrait « tactique » de sa résidence de Bab al-Azizia, et appelle ses partisans à poursuivre le combat. Le Conseil national de transition (CNT), présidé par Moustafa Abdel Jalil, prend de facto les rênes du pouvoir en Libye et est reconnu par la communauté internationale comme le gouvernement légitime de la Libye, tandis que des combats contre les partisans de Kadhafi se poursuivent dans les régions de Syrte et Bani Walid.

Le 24 août 2011, le CNT annonce que des hommes d’affaires offrent deux millions de dinars libyens (soit 1,2 million d’euros) à qui ramènera le colonel Kadhafi mort ou vif. La prime est assortie d’une amnistie et d’un pardon général, quels que soient les crimes commis, si le colonel Kadhafi est arrêté ou tué par l’un de ses proches. Le 9 septembre, à la demande de la CPI, Interpol émet un mandat d’arrêt contre Mouammar Kadhafi, Saïf al-Islam Kadhafi, et Abdallah Senoussi.

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 orchestrée par la rébellion. Il est capturé vivant, mais sa mort est finalement annoncée par un haut responsable militaire du CNT un peu plus tard dans la journée. Des images de la capture de Kadhafi montrent ce dernier, visiblement hagard et le visage ensanglanté, en train d’être malmené et frappé par les combattants rebelles ; l’un d’eux semble essayer de le sodomiser avec un bâton ou une baïonnette tout en le faisant avancer. Mahmoud Jibril, numéro deux du CNT, explique que Mouammar Kadhafi a été mortellement blessé lors d’échanges de tirs, mais dit ignorer qui a tiré le coup mortel.