1 сентября 1969 года группа повстанцев под командованием капитана Каддафи захватила королевский дворец, правительственные учреждения, радио и телевидение. Он занял пост председателя Совета революционного командования и верховного главнокомандующего. С этого времени Каддафи фактически управлял страной.
После революции Каддафи было присвоено звание полковника, и он сохранил за собой это звание, несмотря на то, что в январе 1976 года был произведен в генерал-майоры.
В марте 1977 года была провозглашена "народная республика". Официальным названием страны стало Великая социалистическая народная Ливийская арабская Джамахирия (СНЛАД). В качестве ее президента Каддафи запретил все политические организации, кроме собственного Арабского социалистического союза (АСС).
В 1970-х годах Каддафи сформулировал так называемую "Третью всемирную теорию", которая должна была прийти на смену двум прежним всемирным теориям - капитализму Адама Смита и коммунизму Карла Маркса. Теория эта была изложена в трехтомном труде Каддафи "Зеленая книга", которую сам Каддафи называл "Евангелием нового века".
Помимо "Зеленой книги" перу Каддафи принадлежат произведение под названием "Да здравствует государство угнетенных!", опубликованное в 1997 году, а также сборник рассказов-притч "Деревня, деревня. Земля, Земля. Самоубийство космонавта и другие рассказы". За рубежом рассказы и эссе полковника были опубликованы в виде сборника "Бегство в ад" (Escape to Hell).
Каддафи был верующим мусульманином. Одним из его первых шагов после прихода к власти стала реформа календаря: в нем были изменены названия месяцев года, а летоисчисление стало вестись от года смерти мусульманского пророка Мухаммеда.
Президент США Барак Обама (справа) и лидер Ливии Муаммар Каддафи обмениваются рукопожатием во время саммита стран G8 в Аквиле, 9 июля 2009 года.
Каддафи был женат дважды. Он женился на Фатиме - дочери генерала Халида, заместителя начальника генерального штаба королевской армии, одного из приближенных бывшего ливийского монарха Идриса.
После переворота сразу же расторгнул брак, оставив себе сына. Через два месяца после развода он женился на Сафие - медсестре из военного госпиталя. В этом браке у Каддафи родились шесть сыновей и дочь. Еще одна дочь (приемная) погибла в апреле 1986 года во время налета американской авиации на Триполи.
За 42 года правления Каддафи стал одним из богатейших жителей планеты.
Как пишет Los Angeles Times, Муаммар Каддафи спрятал перед смертью более $200 млрд на банковских счетах и с помощью вложений в недвижимость и ценные бумаги по всему миру… эта сумма вдвое превышает прошлые оценки западных правительств.
Ливийский лидер Муаммар Каддафи (в центре) покидает Елисейский дворец в Париже после встречи с президентом Франции Николя Саркози, 10 декабря 2007 года.
Каддафи пережил несколько покушений на свою жизнь.
Начавшиеся в середине февраля 2011 года протесты с требованием отставки Муаммара Каддафи быстро переросли в беспорядки, против демонстрантов была брошена правительственная армия. 19 марта 2011 года страны НАТО начали бомбардировки Ливии. Поводом для военной операции стали вооружённые столкновения между правительственной армией Джамахирии и повстанцами. При этом командование каждой из стран — участниц операции выбрало собственное кодовое название для боевых действий: американская версия звучала как «Одиссея. Рассвет» (Odyssey Dawn), французские военные назвали операцию «Харматтан», Лондон — «Эллами». Результатом западного вторжения стало падение правительства Муаммара Каддафи. В августе 2011 года верная Джамахирии армия отступила из Триполи, в октябре — из Сирта.
Муамар Каддафи был убит 20 октября 2011 года в окрестностях города Сирт. Там же был убит его сын Муатасем. Автоколонна, в составе которой Каддафи пытался вырваться из окруженного Сирта, попала под авиаудар авиации НАТО. Получивший ранение Каддафи укрылся в дренажном сооружении, однако один из отрядов переходного Национального совета Ливии (ПНС) обнаружил его и взял в плен. По некоторым данным, Каддафи и Муатасем были подвергнуты пыткам, а затем их убили.
Тело Каддафи в течение почти четырех дней было выставлено на всеобщее обозрение в одном из промышленных холодильников в Мисрате. Затем останки были погребены в пустыне, а место захоронения оставалось в секрете.