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Le jeudi 20 octobre 2011, le Conseil national de transition annonce qu'il a été tué alors qu'il quittait Syrte, dernière poche de résistance au nouveau pouvoir libyen et en proie à de violents combats. Mohamed Leith, un de commandants venus de Misrata, annonce que Mouammar Kadhafi a été arrêté, blessé aux jambes et à la tête, mais qu'il est vivant avant que, plus tard dans la journée, Khalifa Haftar, un haut responsable militaire du CNT, n'annonce la mort de l'ancien dictateur libyen et la libération de la ville de Syrte. Selon Mahmoud Jibril, numéro deux du CNT, il a été mortellement blessé lors d'échanges de tirs. Le déroulement exact des circonstances de son décès restent confus. Selon Jean-Dominique Merchet, un drone Predator américain aurait repéré un convoi qui tentait de quitter Syrte, ce qui aurait fait intervenir une patrouille d'avions français, tandis que selon une autre version, la première information proviendrait d'un avion français, après quoi un drone serait allé sur place. Identifié par l'OTAN comme un convoi pro-kadhafiste d'environ 75 véhicules, sans que la présence de Mouammar Kadhafi à son bord ne soit connue, il est arrêté par des tirs de missiles du drone et par un bombardement d'un Mirage 2000D français à partir de 8 h 30 (heure locale) détruisant une dizaine de véhicules, puis assailli par des combattants du CNT originaires de Misrata. Kadhafi, qui s'est réfugié dans un tunnel de drainage des eaux, est ensuite capturé et désarmé par des combattants du CNT. Blessé, soit par l'attaque aérienne, soit par les combattants au sol, il semble ensuite avoir été exécuté. Il est transporté, mort ou agonisant, à l'hôpital de Misrata. Les corps de Mouammar Kadhafi et de son fils Moatassem, qui semble également avoir été exécuté, sont exposés le 21 octobre dans cette ville. Devant les versions contradictoires sur les circonstances de sa mort, le Haut-Commissariat des Nations unies aux droits de l'homme demande le 21 octobre la mise en place d'une enquête à ce sujet. Dans son ensemble, la communauté internationale salue la mort de Mouammar Kadhafi. Pour le politologue Riadh Sidaoui, celui-ci avait «choisi la voie suicidaire» dès le début du soulèvement populaire et sa mort marque la «fin symbolique» de son régime, qui était terminé depuis plusieurs mois ; il considère que la Libye traversera une période transitoire très difficile étant donné que Kadhafi «a créé un grand vide pendant son exercice du pouvoir : il n'y a ni institution, ni armée, ni tradition électorale dans le pays ».
