Утром 20 октября 2011 года отряды Национального переходного совета предприняли очередной штурм Сирта, в результате которого им удалось взять город. В тот же день в СМИ появилась информация от Национального переходного совета Ливии, что Каддафи пленён. По словам Абделя Маджида Каддафи был ранен в обе ноги. Сообщалось, что Каддафи умер от ран, полученных во время его захвата неподалёку от родного города Сирта утром 20 октября 2011 года.

Представитель Национального переходного совета Ливии заявил Sky News, что тело Каддафи перевезено в Мисурату. По сообщениям СМИ, вместе с Каддафи погиб его сын Мутаззим. Также был убит один из участников переворота 1969 года и членов СРК, министр обороны и главнокомандующий вооружёнными силами, бригадный генерал Абу Бакр Юнис Джабер.

Муаммара Каддафи пыталась вывезти из Ливии в Нигер группа южноафриканских наёмников из 19 человек по специально заключённому контракту. Авиация НАТО открыла огонь и остановила конвой из внедорожников, иностранцам дали возможность скрыться.

Схваченный в ходе боёв за Сирт экс-начальник службы внутренней безопасности генерал Мансур Дао, рассказал следующее:

"Мы решили выбраться, после того как были окружены и место перестало быть безопасным. Мы хотели прорваться в соседний район Джариф. Однако при выезде из города мы подверглись мощному обстрелу и были снова окружены. Все наши машины были уничтожены. Нам пришлось разделиться на группы. Мы пешком направились в сторону Джарифа. Я был с Каддафи и министром обороны. С нами была небольшая группа охраны. Потом меня ранило, и я потерял сознание. Что было дальше, я не знаю".

Появившиеся позднее видеозаписи последних минут жизни Каддафи не подтвердили первоначальной официальной версии Национального переходного совета Ливии. Стало ясно, что он убит в результате самосуда захватившими его в плен повстанцами. В последние минуты жизни Муаммар Каддафи призывал повстанцев одуматься: «Харам алейкум… Харам алейкум… Позор вам! Вы не ведаете греха?!».

Тела Муаммара Каддафи, его сына и Абу Бакра Юниса Джабера были выставлены на всеобщее обозрение в промышленном холодильнике для овощей в торговом центре в Мисурате. Вдова Муаммара Каддафи потребовала выдать ей тело супруга.

Управление Верховного комиссара ООН по правам человека, Amnesty International и российский МИД потребовали провести тщательное расследование обстоятельств смерти Каддафи.