Сторонники НПС обнаружили раненого Каддафи в подземном коллекторе на окраине его родного города Сирт 20 октября. Предположительно, Каддафи получил смертельное пулевое ранение в перестрелке, когда его пытались доставить в госпиталь в Мисурате. Кто именно сделал этот выстрел, пока не установлено. Существуют версии о том, что кто-то из бойцов НПС намеренно застрелил бывшего диктатора.
После проведения вскрытия, которое подтвердило, что причиной смерти было пулевое ранение в голову, тело бывшего диктатора было выставлено на всеобщее обозрение в Мисурате. Вместе с телом Каддафи выставлено и тело его сына Мутассима, который также был убит 20 октября в Сирте. Первоначально сообщалось, что НПС планирует похоронить Каддафи в неком секретном месте, однако позже появилась информация о том, что новые власти Ливии решили отдать тело полковника его родственникам, чтобы оно было захоронено в Сирте в соответствии с мусульманскими обычаями.
24 октября правозащитники из Human Rights Watch сообщили, что обнаружили в Сирте следы массовой казни, которую, предположительно, осуществили бойцы НПС. Среди 53 мертвых тел были обнаружены высокопоставленные сторонники джамахирии, а также простые жители Сирта. У многих из убитых руки были связаны за спиной, вокруг на земле остались стрелянные гильзы и магазины к автоматам Калашникова. Международная организация потребовала у новых властей Ливии объяснений по этому поводу.