Maaliskuussa 2011 kansainvälinen reaktio Gaddafin sotilaalliseen väkivaltaan huipentui Yhdistyneiden Kansakuntien päätöslauselmalla, jonka mukaan Libyassa oli asetettava lentokieltoalue. Obama valtuutti USA:n joukot osallistumaan kansainvälisiin ilmaiskuihin.
Libyan ilmatorjunta käyttää Tomahawk-rynnäkköohjuksia suojavyöhykkeen muodostamiseksi. 18. maaliskuuta 2011 Obama puhui kansakunnalle Valkoisesta talosta ilmoittaen Yhdysvaltain sotilaallisten iskujen Nato-joukkojen kanssa Gaddafin hallintoa vastaan. Koalition tuella kapinalliset valtasivat Tripoliin seuraavana elokuuna. Libyan kampanja huipentui Gaddafin hallinnon kukistamisella, mutta Libyan sisällissodan jälkimainingeissa oli levottomuuksia. Obaman puuttuminen Libyaan herätti kongressin jäsenten kritiikkiä ja sytytti keskustelun sotapäätöksen soveltuvuudesta. NATO johti operaatiota, mutta operaatioon osallistui myös Ruotsi ja kolme arabimaata. Obama antoi luvan ampua 110 Tomahawk-rynnäkköohjusta Libyan kohteita vastaan, - vastauksena hallituksen toimiin kapinallisia vastaan, - pakottaakseen YK:n lentokieltoalueen. Kiista heräsi siitä, oliko Obaman sotilaallisen voiman käyttö ilman kongressin ennakkohyväksyntää perustuslaillista, ja kommentteja esitti Yalen oikeustieteen professori Jack M. Balkin ja "Salon.com" -palstan kirjoittaja Glenn Greenwald.