Essent capità, el 1969 dirigí el cop d’estat que derrocà la monarquia d'Idrīs, després del qual esdevingué comandant en cap de les forces armades, primer ministre (1970-72), ministre de defensa (1970), president del Consell de la Revolució Líbia (1970-77) i president de la República (1977). El 1970 féu desmantellar les bases britàniques i dels EUA i expulsà del país els habitants d’origen europeu. Fins els darrers anys del segle XX, la seva política interna es caracteritzà per la virulència antioccidental, el fervor islàmic, el culte a la personalitat (plasmat, a semblança d’altres líders comunistes, en un breviari intitulat Llibre verd de difusió obligada arreu de l’Estat des del 1975), la repressió i la invocació d’una “tercera via universal” superadora del capitalisme i el marxisme: el Govern dels Comitès Populars, culminat el 1976 amb la fundació de la Ǧamaḥirija o Estat de les Masses. En l’àmbit internacional, fou un aliat incòmode de l’URSS, donà suport a diversos moviments guerrillers i, suposadament, a grups terroristes, motiu pel qual el 1986 la seva residència fou objecte d’un atac aeri per part dels EUA, del qual sortí il·lès.
Alternà obsessivament diverses formes de panarabisme (com ara la creació d’un ‘Gran Magrib’) amb ulteriors enfrontaments amb els estats àrabs. El 1991, però, condemnà la invasió iraquiana de Kuwait. La negativa a extradir dos presumptes terroristes acusats d’un atemptat aeri el 1988 (afer Lockerbie) li valgué un duríssim embargament davant del qual, finalment, hagué de cedir. A l’abril del 1999, l’ONU suspengué l’embargament al Govern libi, després que Gaddafi autoritzés el judici a Holanda dels dos ciutadans naturals del país acusats de l’atemptat.
A partir d’aleshores, Gaddafi concentrà els seus esforços en un ambiciós projecte diplomàtic: la constitució dels Estats Units d’Àfrica, en què Líbia seria el motor del desenvolupament econòmic i polític del continent. Pressionat pel desenllaç de l’afer Lockerbie, el declivi de l’economia i el nou context sorgit arran dels atemptats de l'11 de setembre de 2001, que el posava en el punt de mira de la lluita antiterrorista global, Gaddafi dugué a terme un gir radical de la seva política exterior, fins aleshores marcada per l’antioccidentalisme estrident: al gener del 2002 es comprometé davant els EUA a no donar suport al terrorisme i a no desenvolupar armes de destrucció massiva. Al setembre del 2003 l’ONU decretà l’aixecament de l’embargament de Líbia, que el 2004 restablí les relacions amb França i la Gran Bretanya, i els EUA, que ho feren l’any 2006. Aquest canvi d’orientació permeté sobretot donar un nou impuls a les exportacions petrolieres i tancar contractes d’explotació amb multinacionals del sector.
Tot i aquesta millora de les relacions, altres incidents derivats del caràcter autocràtic del règim libi propiciaren episodis de tensió intermitent. Entre d’altres, la designació de la presidència líbia en la Comissió de Drets Humans de l’ONU donà lloc a protestes d’activistes i dels EUA (2003), i l’any següent, la condemna a mort de sanitaris búlgars suposadament per haver inoculat el virus HIV a pacients libis desencadenà una onada de protestes fins el 2007, que foren alliberats. Les violacions reiterades dels drets humans per part de les autoritats líbies (especialment sobre la nombrosa població immigrada) i l’alliberament i extradició a Líbia del principal inculpat de l’afer Lockerbie sota pressions a la Gran Bretanya per part del mateix Gaddafi (2009) foren altres motius de conflicte.
Al febrer del 2011, en un efecte contagi, les revoltes antiautoritàries iniciades a Tunísia i Egipte s’estengueren a Líbia amb motiu de la detenció d’un activista pels drets humans. Tanmateix, l’estret control sota el qual el líder libi mantenia l’exèrcit impedí que fos foragitat del poder com ho havien estat Ben Ali a Tunísia i Mubàrak a Egipte. Després d’uns quants dies de vacil·lacions, Gaddafi inicià una contraofensiva que li permeté recuperar en pocs dies part de les ciutats controlades pels rebels. Tot i això, l’ús indiscriminat de la força, en particular de l’aviació, amb la qual bombardejà sistemàticament la insurgència, desvetllà les protestes de part la comunitat internacional.
La Lliga Àrab es mostrà favorable a decretar una zona d’exclusió aèria, que el Consell de Seguretat de la zona autoritzà. Després de la negativa de Gaddafi a abandonar el poder a requeriment d’una conferència de caps d’estat, la Unió Europea i la Lliga Àrab, l’aviació de l'OTAN inicià raids aeris puntuals, cosa que permeté als rebels recuperar posicions. En la guerra civil que esclatà fou decisiva la resolució de l’ONU al març que autoritzava la intervenció militar per a protegir els civils, que decantà el conflicte en favor dels rebels.
Al maig, el Tribunal Penal Internacional cursà una ordre de detenció contra el líder libi i dos dels seus col·laboradors (un dels quals era el seu fill) per crims contra la humanitat comesos en esclatar la rebel·lió antigovernamental, i des de l’agost Gaddafi visqué amagat mentre la seva dona i alguns dels seus fills fugiren a Algèria. A l’octubre fou mort en circumstàncies confuses durant una ofensiva dels rebels i de l’OTAN a la ciutat de Sirte.