逃亡两个月后，卡扎菲与穆塔西姆等人正打算乘车逃出苏尔特，遗憾的是车队被北约联军锁定并遭到轰炸，卡扎菲受伤后在一处水泥管道中被米苏拉塔武装人员抓获。同时被抓获的，还有卡扎菲儿子穆塔西姆。卡扎菲被俘获后遭到羞辱和虐待，周围都是大声尖叫和欢呼的武装人员。有人用脱下来的鞋子击打卡扎菲的脸，最血腥的一幕是，一位武装人员将一把美制卡巴军刀插入卡扎菲的下体，有人还不停地掌掴卡扎菲。
从视频画面上可以看到，卡扎菲被虐打的已经奄奄一息，他的脸部、腿部受到重击血流不止。半小时后，卡扎菲被武装人员枪杀。“过渡委”发言人表示，武装部队与卡扎菲支持者发生交火，卡扎菲头部被击中。这个说法显然很难令人信服，这也是卡扎菲推迟下葬的原因之一。随后穆塔西姆也受到了的虐打，从视频画面上也能看到他坐在地上，不停的擦拭鼻血，手里还拿着矿泉水，在与反政府武装交谈后被开枪打死。
利比亚“过渡委”对卡扎菲进行了尸检，报告显示卡扎菲死于头部枪伤。接着有两位反政府武装人员都宣称自己打死了卡扎菲，一位名叫乌雷比，另一位名叫赛巴尼。从掌握的信息来看，乌雷比的描述更为真实。他说他向卡扎菲开了两枪，分别命中头部和腹部。他杀死卡扎菲的原因是，当时有人要抢走活着的卡扎菲。卡扎菲死前立有遗嘱，要求穿着他死时衣服，按照教习葬在老家苏尔特的家族墓中，并号召人们抵抗。
卡扎菲的遗体被暂时存放在米苏拉塔的一座戒备森严的清真寺内，利比亚“过渡委”宣布将为其进行秘密葬礼。但卡扎菲之死仍存疑点，联合国人权理事会要求调查死因。所以，卡扎菲的安葬时间被当局推迟。据“过渡委”的一名匿名官员透露说，推迟安葬卡扎菲还有一个目的，就是确保让民众知道卡扎菲已死。他接着说，为了避免卡扎菲的墓地成为支持者的“朝圣之地”，执政当局曾一度计划效仿本·拉登的海葬。
但为避免节外生枝，当局最终决定按照伊斯兰传统将他安葬，但关于安葬地点各方尚未达成一致。卡扎菲的部族曾与当局联系，试图争取卡扎菲的安葬权。当局回应说，如果部族承认是卡扎菲的亲属，便会同意。就这样，卡扎菲的遗体被放在一个肉类冷藏室中，这个冷藏室对外开放了四天，接受各地民众的观赏。卡扎菲死后第五天被当局秘密安葬，与卡扎菲一起下葬的，还有其儿子穆塔西姆及他的亲信尤尼斯。
据利比亚一位匿名官员说，当时安葬卡扎菲的是四名临时政府信任的人，他们将卡扎菲等人的尸体秘密深埋在撒哈拉沙漠中。在安葬前，一名阿訇在已腐烂的卡扎菲尸体旁念经。卡扎菲的私人阿訇也做最后祷告。参加仪式的还有卡扎菲的两名表兄弟，仪式结束后，卡扎菲的遗体交给了临时政府官员手中，他们的尸体在凌晨被带到沙漠深处。负责埋葬的人都对真主发过誓，他们将汽车开到没油时，在抛锚地随机进行深埋。
卡扎菲也算是利比亚的一个枭雄，他的安葬必然要采取秘密的方式进行。他的埋葬地一旦被公开的话，可能会被支持者当成圣地，这是执政当局不愿看到的。因此，卡扎菲既不能活着，其埋葬目的也不能公开。综上，卡扎菲的安葬是采取秘密的方式进行的，埋葬前的仪式也是非常简单，仅有数人参加。卡扎菲支持者也曾试图寻找过埋葬地，但在茫茫大漠中都是无功而返。
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