3月19日，西方五国揭开军事干预利比亚的大幕，法国率先行动，出动战机在班加西地区发动空袭。美国和英国随后发射导弹，向利比亚海岸目标发动攻击。为执行联合国安理会决议，多国联军开始针对利比亚的“奥德赛黎明”行动，目标是阻止政府军针对平民的行动。美军非洲司令部负责行动初期指挥，未来将交由联军指挥部。美军使命为伙伴国创造条件，行动目标是保护平民。
3月20日，法美对空、海实施军事打击。法国出动至少15架战机参与行动，英军特种部队进入利比亚。美国空军出动3架B-2隐身轰炸机，直飞利比亚机场投弹，试图摧毁卡扎菲空军力量。美军和英、法战机一同攻击政府军地面部队。联军在军事行动中无损失。班加西周边政府军开始撤离，反政府武装集结坦克部队反攻，向东挺进。
20日晚，利比亚武装部队宣布执行全面停火，停止境内军事行动。然而，美国不承认这一消息，称不属实。21日，卡扎菲敢死队和反政府武装在班加西发生激烈枪战，英军皇家战机再次飞抵利比亚，但未实施轰炸。北约正式从美国手中接管对利比亚军事行动的指挥权，美军主要承担侦察、空中加油和救援任务。英法分别建立作战指挥中心。军事行动非常有效，阻止了卡扎菲部队行动，建立了禁飞区。
3月31日，北约正式接管全部指挥权。4月4日，利比亚政府特使与土耳其政府讨论停火和政治改革。反对派国家过渡委员会拒绝卡扎菲儿子领导下的转型，表示在进行外交谈判前，卡扎菲及其儿子必须离开。意大利承认过渡委员会为合法对话者，拒绝卡扎菲政府停火提议。法国和卡塔尔宣布承认过渡委员会。英国外交大臣表示，利比亚已被国际孤立，无法出口石油，卡扎菲必须下台。
4月6日，利比亚反对派领导人尤尼斯批评北约在米苏拉塔的军事行动缓慢，指责北约反应迟缓，未能粉碎卡扎菲部队封锁，导致平民受到伤害。法国外长强调卡扎菲部队部署在居民区，使北约行动复杂。北约秘书长未能说服土耳其向反对派武装提供武器，土耳其船只被驱逐。利比亚反对派抗议土耳其立场。
“奥德赛黎明”(“Operation Odyssey Dawn”)是以法国、英国、美国为首的联合军队2011年针对利比亚采取的军事行动的代称，此行动开始于2011年3月19日（北京时间20日0时54分），当日美军位于地中海的导弹驱逐舰巴里号向利比亚发射战斧式巡航导弹共发射了110多枚战斧导弹。美军参谋部主任威廉·戈特尼宣传此次行动目标是保护利比亚平民和反对派组织，并打击卡扎菲政权抵抗设立禁飞区的能力。此次军事行动遭到世界众多国家及组织的反对。
