In maart 2011 culmineerde de internationale reactie op de militaire repressie van Gaddafi in een resolutie van de Verenigde Naties om een no-fly zone in Libië af te dwingen. Obama machtigde Amerikaanse troepen om deel te nemen aan internationale luchtaanvallen.
De Libische luchtverdediging heeft Tomahawk-raketten gebruikt om de beschermingszone te creëren. Op 18 maart 2011 richtte Obama zich vanuit het Witte Huis tot de natie en kondigde militaire aanvallen van de VS met NAVO-troepen aan tegen het Gaddafi-regime. Met de steun van de coalitie namen de rebellen Tripoli in augustus van het volgende jaar in. De Libische campagne culmineerde in de omverwerping van het Gaddafi-regime, maar Libië beleefde onrust in de nasleep van de burgeroorlog. Obama's interventie in Libië veroorzaakte kritiek van leden van het Congres en ontstond een debat over de toepasbaarheid van de War Powers Resolution. De interventie werd geleid door de NAVO, maar Zweden en drie Arabische landen namen ook deel aan de missie. Obama gaf toestemming voor het afvuren van 110 Tomahawk kruisraketten tegen doelen in Libië, als reactie op de acties van het regime tegen de rebellen, om de no-fly zone van de VN af te dwingen. Er ontstond een controverse over de vraag of het gebruik van militair geweld door Obama zonder voorafgaande goedkeuring van het Congres grondwettelijk was, met opmerkingen van Yale-juridisch professor Jack M. Balkin en "Salon.com" -columnist Glenn Greenwald.