Ливийская система противовоздушной обороны была подавлена уже в результате первого удара. Однако это было достаточно легко. Система ПВО Ливии, некогда действительно одна из самых мощных в регионе, была сформирована с помощью СССР ещё в начале 1980-х годов. Ливийская Джамахирия была крупнейшим получателем советского оружия в Северной Африке до введения режима международных санкций против этой страны в 1992 году. Большая часть этого вооружения была списана, либо находилась в неработоспособном состоянии, так как режим санкций не позволял закупать запчасти для ремонта.
На момент начала воздушной операции у Ливии оставалось 11 дивизионов зенитных ракетных комплексов (ЗРК) С-75М3 «Волга», 16 дивизионов ЗРК С-125М1 и четыре (восемь) дивизиона наиболее «современных» и дальнобойных ЗРС С-200ВЭ. К этому можно добавить некоторое количество ЗРК «Квадрат», «Оса-АК», «Стрела-10», советских зенитных установок (калибра 23 мм, 37 мм, 57 мм, 85 мм) и переносных ЗРК «Стрела» и «Игла». А также одну бригаду французских зенитных ракетных комплексов «Кроталь» (Crotale) (поставлены в Ливию в 1973–1974 гг.). Вся эта техника была старая, в плохом техническом состоянии. Силы средства ПВО были объединены устаревшей советской автоматизированной системой управления 5С99М «Сенеж».
Примерно половина комплексов С-200ВЭ попала в руки восставших, а вторую половину ливийцы не рискнули использовать первыми по наиболее уязвимым воздушным целям западной коалиции — самолётам АВАКС и самолётам-заправщикам Виккерс-10, что позволило американцам очень быстро засечь эти комплексы, а затем уничтожить или вывести из строя ударами крылатых ракет Томагавк. Но, имея на вооружении десятки тысяч ПЗРК Стрела-2М и Игла-1 и мобильную колёсную систему ПВО ОСА-АКМ и гусеничную систему ПВО Стрела-10, Ливия долгое время не позволяла авиации стран НАТО летать на высоте ниже пяти километров и наносить прицельные удары.
Военно-воздушные силы Ливии номинально насчитывали, по разным оценкам, от 220 до 250 боевых самолётов в основном советского производства (бомбардировщики Су-24 и Ту- 22, истребители-бомбардировщики Су-22, истребители Миг- 21, МиГ-23), плюс французские Мираж Ф1 (Mirage F1). Из них подняться в воздух способны были не более полусотни. После отмены режима санкций против Ливии в 2004 г., новые системы ПВО и авиатехника в страну не поставлялись.
В то же время, на поле боя на земле войска, верные Муамару Каддафи, быстро приспособились действовать в условиях ежедневных атак союзной авиации — прятали тяжёлую технику в городских кварталах и использовали её только в нужный момент, стали действовать на «техничках», точно таких же, как и у отрядов оппозиции, и союзники стали бить по «своим».
Тем не менее, действия коалиционной авиации уравновесили силы противоборствующих сторон, компенсировав почти полное отсутствие у отрядов ПНС артиллерии и бронетехники, а также отсутствие (что важнее!) даже элементов централизованного командования. До войны вооружённые силы Ливии насчитывали пять тысяч танков и бронемашин. К тому же правительственные войска сохранили жёсткую структуру командования, действовали слажено и решительно.
Оппозиции лишь со временем удалось сформировать некое подобие армейских частей из разношёрстных повстанческих войск при помощи западных военных советников и наёмников. Они получили значительное количество противотанковых вооружений, тяжёлых пулемётов, переносных зенитных ракетных комплексов, джипов. Пока документально подтверждены военные поставки силам ПНС только из Франции и Судана.
Авиация союзников разрушала тыловые объекты и сковывала передвижение сил Каддафи. С 31 марта налеты стали проводиться в рамках операции НАТО «Объединённый защитник» («Unified Protector»). В ней приняли участие США, Франция (более 30 самолетов и 19 вертолётов), Великобритания (до 30 самолетов и до 10 вертолётов) и Италия (16 самолетов и предоставление авиабаз). Другие члены НАТО — Бельгия, Канада, Дания, Греция, Нидерланды, Норвегия, Испания — предоставили от 4 до 6 боевых самолетов и от одного до нескольких самолетов обеспечения. По шесть истребителей предоставили Иордания и Катар, 12 боевых самолетов — ОАЭ. Десять самолетов подключила к операции НАТО нейтральная Швеция.
С июня в атаках стали принимать участие ударные вертолёты АН-64 Апач (Apache), Газель (Gazelle) и Тигр (Tigre), что повысило точность ударов. Противнику были нанесены значительные потери в живой силе, артиллерии и бронетехнике, но это не смогло полностью остановить обстрелы городов и ближние бои в них.
Наступление верных Каддафи сил на Мисурату началось 18 марта. Почти за две недели боев им удалось взять лишь примерно треть города. В руках повстанцев остался морской порт, через который они получали из Киренаики подкрепления, продовольствие, боеприпасы и вооружения. В конце концов, при активной поддержке авиации НАТО, осаждённым удалось перехватить инициативу. В последних числах апреля Мисурата была очищена от правительственных войск. Линия фронта стабилизировалась в районе Мисурата-Злитен (город на пути из Мисураты в Триполи).
Самый второстепенный фронт этой войны — нагорье Нафуса — в итоге стал плацдармом, с которого началось решающее наступление повстанческих отрядов на Триполи. С марта по конец июля ни одной из сторон здесь не удалось захватить инициативу. Ситуация сложилась патовая. Но с занятием в августе целого ряда опорных пунктов к северу от Налута и важнейших стратегических городов Гарьяна и Завии, повстанцам удалось обрушить оборону каддафистов на западном направлении и взять под контроль границу с Тунисом.
Уже 20 августа 2011 г. после взятия Завии отряды ПНС двинулись на Триполи. С востока на столицу наступали повстанческие отряды мисуратского фронта. В городе началось восстание «пятой колонны». К 28 августа после недели ожесточенных боев правительственные силы были выбиты из Триполи.
В рядах наступавших на Триполи колоннах активно работали британские и французские военные специалисты. Они разрабатывали план штурма столицы, координировали действия повстанческих отрядов, корректировали авиаудары НАТО. Участие наземных сил НАТО в ливийской гражданской войне запрещала резолюция Совбеза ООН 1973. Но еще в апреле командование альянса, понимая, что, только сформировав из плохо вооружённых и слабо управляемых отрядов мятежников что- то хотя бы отдаленно похожее на регулярную армию, наладив их координацию и снабжение разведданными, удастся переломить ситуацию. В мае в Ливии высадилась британская команда военспецов для развертывания пункта связи. Затем подтянулся британский спецназ 22-го полка SAS и французские коллеги. США тоже заявляли о возможной посылке своих военных инструкторов в лагерь оппозиции. В отрядах мятежников действовали несколько сотен военных «инструкторов» из Катара.
Разительным контрастом на фоне столь быстрого падения столицы выглядит умело организованная каддафистами оборона Марса эль Бреги, которая продержалась почти до конца октября. Подступы к городу были плотно минированы. Защитники Бреги умело использовали реактивные системы залпового огня, нанося противнику значительный урон. Мятежники до конца войны так и не смогли полностью блокировать город.
Силам ПНС по объективным причинам не удалось с ходу взять и Бани-Валид (столица лояльного Каддафи племени варфалла) и Сирт (столица родного племени Каддафи каддафа). В течение сентября все попытки фронтальных атак повстанцев отбивались защитниками городов. Осаждавшим пришлось взять паузу. Но после похода подкреплений из Киренаики, силы ПНС полностью окружили Сирт. При массированной поддержке артиллерии, бронетехники и авиации НАТО, мятежники с тяжёлыми боями занимали район за районом, постепенно проламывая кольцо обороны. В Бани-Валиде повстанцы использовали примерно такую же тактику, хотя действовали не столь жёстко. Гарнизон Бани-Валида прекратил сопротивление 17 октября. Сирт пал 20 октября. Конвой в котором были Муамар Каддафи, его сын Мутасим, министр обороны Абу Бакр Юнис Джабер, был атакован авиацией НАТО и разгромлен. Раненный полковник Каддафи был взят повстанцами в плен и после пыток расстрелян.