Кроме наступления из Киренаики, на Сирт также двигались повстанческие силы из Мисраты, которые расчистили себе путь после взятия города Тавурга. Однако наличие в Бани-Валиде сил каддафистов, нависавших над наступлением повстанцев с данного направления, несколько сковывало их действия. Потому 9 сентября, после провала переговоров о добровольной сдаче города, повстанцы предприняли первый штурм Ба-ни-Валида. До 30 сентября бои за город велись с переменным успехом, но в итоге лоялисты заставили повстанцев прекратить штурм и взять паузу. Несмотря на провал штурма столицы варфалла, противники режима Каддафи добились определенных результатов, главным из которых была блокада его гарнизона, скованного боями, что обеспечило мисратской группировке повстанцев свободу действий у Сирта.
Штурм Сирта повстанцами начался 15 сентября, причем только западной части, так как повстанческие части из Киренаики все еще не достигли города. Фактически первые десять дней штурма вылились во фронтальные атаки западной части города умеренными силами повстанцев Триполитании (так как часть их была задействована под Бани-Вали-дом и обеспечивала контроль над Триполи, где положение повстанцев было еще шатким), потому провал этой фазы штурма не вызывает удивления.
Ситуация изменилась для повстанцев после выхода их киренаикской группировки к восточным окраинам Сирта 26 сентября, что заставило гарнизон города обороняться на два фронта. Более того, оставив бесплодные попытки прорвать оборону города на западе, повстанцы начали охватывать город с юга, замкнув вокруг него кольцо окружения. Дальнейшие действия штурмующих свелись к постепенному продавливанию обороны лоялистов, которые теряли один пригород или район за другим. При этом штурм сопровождался массированным применением артиллерии и бронетехники со стороны противников Каддафи при поддержке авиации НАТО.
Под Бани-Валидом первую декаду октября активных действий не велось, лишь 9 октября повстанцы предприняли попытку захватить аэропорт, отбитый лоялистами на следующий день с существенными потерями для повстанцев. Тем не менее жесткий штурм Сирта с потоками беженцев и серьезными разрушениями в городе произвел на гарнизон столицы племени варфалла соответствующее впечатление. В итоге начавшееся 15 октября наступление уже 17 октября привело к установлению полного контроля повстанцев над этим городом.
Падение Бани-Валида ускорило развязку в Сирте, и 20 октября город пал. При этом часть гарнизона вместе с высшими руководителями Джамахирии, включая Муамара Каддафи, его сына Мутасима, министра обороны Абу Бакр Юнис Джабера, командира гражданской гвардии Мансура Дао Ибрагима, попыталась пробиться из города в западном направлении (где концентрация сил повстанцев была, видимо, ниже) на 75 автомобилях. Конвой был обнаружен британским самолетом Tornado GR.4 и атакован БЛА MQ-1 Predator и французскими истребителями Rafale. После первого удара большая часть конвоя рассыпалась, лишь ядро из 20 автомобилей продолжило движение. По нему был нанесен повторный авиационный удар