V marci 2011 medzinárodná reakcia na vojenský zásah Kaddáfího vyvrcholila rezolúciou OSN, ktorá stanovila bezletovú zónu v Líbyi. Obama povolil americkým silám zúčastniť sa medzinárodných leteckých útokov
na líbyjskej protivzdušnej obrannej s použitím Tomahawk krížnych rakiet vytvoriť ochrannú zónu. Dňa 18. marca 2011 sa Obama obrátil na národ z Bieleho domu a oznámil vojenské údery USA s silami NATO proti Kaddáfímu režimu. S podporou koalície povstalci vzali Tripolis nasledujúci august. Líbyjská kampaň vyvrcholila zvrhnutím Kaddáfího režimu, ale Líbya zažila nepokoje v dôsledku občianskej vojny. Obamova intervencia v Líbyi vyvolala kritiku zo strany členov Kongresu a podnietila debatu o uplatniteľnosti rezolúcie o vojnových mocnostiach. Intervenciu viedlo NATO, ale do misie sa zapojilo aj Švédsko a tri arabské národy. Obama povolil výstrel 110 kružných rakiet Tomahawk proti cieľom v Líbyi, v reakcii na kroky režimu proti povstaleckým silám, na presadzovanie bezletovej zóny OSN. Polemika vznikla o tom, či bolo Obamovo použitie vojenskej sily bez predchádzajúceho schválenia kongresu ústavné, s komentármi profesora práva z Yale Jacka M. Balkina a novinára "Salon.com" Glenna Greenwalda.