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 б 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 Гйрьяна 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.