尽管利比亚"全国过渡委员会"宣布卡扎菲是因为伤重不治身亡，但卡扎菲最后时刻的视频被公开后，仍引起普遍质疑，日前，联合国、包括美国、俄罗斯等在内的国家，以及卡扎菲的妻子公开要求对卡扎菲的死因进行调查。
10月20日，利比亚"全国过渡委员会"执行委员会主席贾布里勒在新闻发布会上宣布，卡扎菲是伤重不治身亡。有"全国过渡委员会"官员表示，他们没有下达击毙卡扎菲的命令。也有多家西方媒体报道，卡扎菲是在被俘后疑被武装人员打死。
随后公开的两段卡扎菲最后时刻的视频和照片显示，卡扎菲被捕后，遭遇武装人员暴力攻击，但显示他仍然活着；另一段视频是卡扎菲死亡死后，有人将他的尸体拖行在苏尔特街头，并有民众聚集在卡扎菲的尸体周围用手机摄像或拍照。而照片显示，他的头部左太阳穴位置有明显的枪洞。
10月21日，俄罗斯外交部长拉夫罗夫对外在"俄罗斯之声"广播电台直播节目中说，卡扎菲之死存在是否违背《日内瓦公约》的问题，对此应该进行国际调查。卡扎菲是否是在受伤被俘后被剥夺了生命？与其死因有关的北约军队的行动应该成为国际调查的对象。
拉夫罗夫还表示，根据《日内瓦公约》规定，武装冲突各方应遵循相关国际人道主义法则，对受伤俘虏提供医疗救助，而绝对不可杀害。另外北约战机对卡扎菲阵营欲逃离苏尔特的车队进行攻击，这与执行利比亚禁飞区任务毫无关系。
联合国日前发出呼吁，要求对卡扎菲的死因展开调查。联合国人权专员皮莱（Navi Pillay）指出，公民摄影者拍摄的资料显示卡扎菲在被捕的时候还活着，这令人不安，有必要就此展开调查，以确定卡扎菲是在交火中被打死的，还是在被抓获后被人直接处死。
美国国务院发言人也表示，利比亚"全国过渡委员会"应当以"公开和透明的方式"对卡扎菲之死展开调查。
另外，一家位于叙利亚的电视台报道，卡扎菲的妻子萨菲亚要求联合国对卡扎菲和穆塔西姆的死亡真相进行调查。穆塔西姆是卡扎菲的第五子，
对此，利比亚当局表示，利比亚"全国过渡委员会"部分官员10月21日说，卡扎菲推迟下葬。原本计划于本周五为卡扎菲举行的葬礼被推迟至其死因查清之后举行。利比亚验尸官说，将在星期六对有关尸体进行正式验尸。
关于卡扎菲的死因调查，英国伦敦城市大学中东研究项目主任罗斯玛丽·霍利斯说，如果今后证实卡扎菲死于北大西洋公约组织空袭或被俘后遭处决，卡扎菲之死可能"激怒"他的坚定支持者及其他激进人员；
德国之声也在新浪微博上了解到很多中国网民对此的反应，有一部分人认为他"死有应得",但大多数网友表示即使卡扎菲是一个独裁者，不认同他的所为，但愿意维护他作为一个人的合法权利。一位网友表示："没有任何非正义的程序能达到正义的目的。"
网友"摔三角拍烟画"说：“让一群长期被压榨、被欺凌、被肆意屠杀愤怒的人放弃复仇，保持理性。相当困难，就如同让飞驰的高速列车，瞬间停止。我不赞同他们虐杀卡扎菲，但给予一定的理解。”
网友“自由在远处”说："当然支持调查真相,即使无法完全还原历史,关心这件事情的人们总会有自己的判断。"
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