W marcu 2011 roku międzynarodowa reakcja na wojskowe represje Kaddafiego zakończyła się rezolucją ONZ w sprawie wprowadzenia strefy zakazu lotów w Libii. Obama upoważnił amerykańskie siły do udziału w międzynarodowych atakach lotniczych
na libijską obronę powietrzną używając pocisków Tomahawk do ustanowienia strefy ochronnego. 18 marca 2011 roku Obama zwrócił się do narodu z Białego Domu, ogłaszając amerykańskie uderzenia wojskowe z siłami NATO przeciwko reżimowi Kaddafiego. Z poparciem koalicji rebelianci zajęli Trypolis w sierpniu następnego roku. Kampania libijska zakończyła się obaleniem reżimu Kaddafiego, ale Libija doświadczyła zamieszek w następstwie wojny domowej. Interwencja Obamy w Libii wywołała krytykę ze strony członków Kongresu i zapoczątkowała debatę na temat przydatności rezolucji o uprawnieniach wojennych. Interwencja była prowadzona przez NATO, ale Szwecja i trzy kraje arabskie również uczestniczyły w misji. Obama upoważnił do wystrzelenia 110 pocisków Tomahawk na cele w Libii, w odpowiedzi na działania reżimu przeciwko siłom rebeliantów, w celu egzekwowania strefy zakazu lotów ONZ. Powstały kontrowersje, czy użycie przez Obamę siły wojskowej bez uprzedniej zgody Kongresu było zgodne z konstytucją, z komentarzami profesora prawa z Yale Jacka M. Balkina i kolumnisty "Salon.com" Glena Greenwalda.