Французские ВВС начали патрулировать ливийское воздушное пространство 19 марта, в этот день они уничтожили четыре танка правительственных сил в районе Бенгази. В первых миссиях были задействованы восемь многоцелевых истребителей Rafale, два Mirage 2000-5 и два истребителя-бомбардировщика Mirage 2000D. Самолеты оперировали с авиабаз во Франции и Италии. Вскоре на театр военных действий прибыло авианосное соединение — оперативная группировка 473 во главе с флагманом военно-морских сил Франции авианосцем Charles de Gaulle, включавшая семь фрегатов и эсминцев, танкер и атомную подлодку Améthyste.
На авианосце базировались шесть модернизированных палубных штурмовиков Super
Etandard, восемь истребителей Rafale M, два самолета дальнего радиолокационного обнаружения E-2C Hawkeye и десять многоцелевых вертолетов. Всего же авиагруппировка Франции в зоне конфликта составила 48 самолетов различного назначения — второе место по численности после группировки американских ВВС.
Эффективные удары французской авиации в начале ливийской кампании по колоннам бронетехники и позициям тяжелой артиллерии правительственных войск фактически сорвали готовящийся ими штурм повстанческой столицы Бенгази. Система противоздушной обороны страны была подавлена в первый же день, французы и их союзники действовали абсолютно безнаказанно и компенсировали отсутствие у мятежников артиллерии и бронетехники, а также даже элементов централизованного командования. С их поддержкой отряды Переходного национального совета в течение десяти дней отбросили противника на 500 км от Бенгази. Провалилось и наступление каддафистов на Мисурату, начавшееся 18 марта. За две недели боев им удалось взять лишь треть города. Удары наносились по центрам управления войсками, аэродромам, оружейным депо, базам ВВС и ПВО. На конец сентября 2011 года самолеты французских ВВС и авиации флота совершили 4621 вылет, выпустили 240 ракет, сбросили 1125 бомб.
Однако войска, верные Муаммару Каддафи, быстро приспособились действовать в условиях ежедневных атак авиации международной коалиции — прятали тяжелую технику в городских кварталах и использовали ее в нужный момент, сохранив жесткую структуру командования, они действовали слаженно и решительно. Каддафисты, как и повстанцы, стали действовать на «техничках» и стали трудноотличимы от мятежников. В силу этого коалиционные силы периодически били «по своим».
С целью повышения точности ударов с июня в боевых действиях союзниками были задействованы ударные вертолеты — французы ввели в бой четырнадцать Aérospatiale Gazelle и четыре Eurocopter Tiger, базировавшиеся на универсальном десантном корабле (УДК) Tonnerre класса Mistral (10 августа Charles de Gaulle вернулся на свою базу в Тулон). Потери правительственных войск в живой силе и технике резко возросли, хотя городские бои это не остановило. Во время ночных рейдов французские боевые вертолеты уничтожили до 600 целей.
И все же воздушное превосходство коалиционных сил стало решающим фактором. Силы правительственных войск были истощены.
20 августа 2011 года с запада и востока началось решающее наступление повстанцев на Триполи. 28 августа после недели ожесточенных боев правительственные силы были выбиты из столицы. 20 октября пал последний оплот каддафистов — Сирт, полковник Муаммар Каддафи попал плен к повстанцам и после пыток и издевательств был расстрелян.
Решающее наступление повстанцев было бы невозможным без наземной операции НАТО. Британские и французские военные специалисты работали непосредственно в отрядах мятежников и сумели создать из этого почти неуправляемого воинства некое подобие армии, наладили их координацию между собой и с силами НАТО, снабжение разведданными. Кроме того, в рядах мятежников работали военные инструкторы из ОАЭ, Катара и Италии. Глава комитета по иностранным делам Национальной ассамблеи Алекс Понятовский утверждал, что в Ливии действовало 200-300 бойцов французских сил специальных операций, военный журналист Жан-Доминик Мерше настаивал на том, что эта цифра не превышала 70 бойцов Командования специальных операций.
Первая группа прибыла в Бенгази 9 апреля, вторая — в конце того же месяца в осажденную правительственными войсками Мисурату, третья — в августе начала работу в мятежных отрядах на нагорье Нафуса, помимо всего прочего, она отвечала за парашютную доставку в этот сектор военных (в том числе и ПТРК Milan) и медицинских грузов, закупленных на деньги Катара. Действия всех трех групп держались в секрете, их члены не носили униформу. Есть также данные о нескольких рейдах подразделений коммандос французских ВМС против объектов логистики ливийской армии. Они высаживались с кораблей оперативной группировки 473 и действовали в униформе.