Regeringstjänstemän i Washington säger till tidningen att CIA-agenter verkar i Libyen sedan flera veckor. De har på några veckor samlat in uppgifter som det annars tar flera månader att få ihop.
Washington hoppas på att kunna fylla sina kunskapsluckor om dem som leder motståndet mot Gaddafi genom att CIA tar direktkontakt med dem.
President Barack Obama har hittills framhärdat att USA inte ska sätta in soldater på marken för att stödja de libyska rebellerna. Han har hänvisat till villkoren i resolutionen i FN:s säkerhetsråd om att flygstyrkor ska upprätthålla en flygförbudszon över Libyen och skydda civila från övergrepp.
Men flera internationella medier, bland dem CNN och International Herald Tribune, rapporterade på torsdagen att Obama undertecknat en hemlig order om att skicka agenter till Libyen.
– Det är inte ett land vi varit inriktade på de senaste åren, skrev USA-generalen Carter F Ham i ett mejl när han överlämnade ansvaret för Libyen till Natokommandot tidigare i veckan.
Washingtons förhoppning är att agenterna, som nu verkar inne i det krigshärjade landet, ska hjälpa till att driva tillbaka Gaddafistyrkorna, skriver NYT.
Amerikanernas kolleger i MI6 har samlat uppgifter om Gaddafis stridsvagnsförband, artilleripjäser och robotanläggningar inför brittiska Tornadoflygplans attacker. Britterna ska ha tiotals agenter på plats medan det är oklart hur många USA har sänt dit.
CIA har vägrat kommentera tidningens uppgifter.
Den libyske utrikesministern Musa Kusa anlände till Storbritannien på onsdagen, efter två dagar i Tunisien, och meddelade den brittiska regeringen att han avgår.
– Vi kan bekräfta att Musa Kusa anlände till Farnboroughs flygplats den 30 mars från Tunisien, sade Storbritanniens utrikesdepartement (UD).
– Han har meddelat oss att han avgår från sin post.
UD uppmanade fler libyer att följa Kusas exempel.
– Han är en av de mest framträdande personerna i Gaddafis regering och han har representerat regimen internationellt, något som han inte längre är villig att göra, säger britterna som välkomnar avhoppet.
Explosioner skakade en förstad i den sydöstra delen av Tripoli på onsdagskvällen då västerländskt stridsflyg åter attackerade den libyska huvudstaden, uppgav den inhemska nyhetsbyrå Jana och ögonvittnen för AFP.
Vittnena sade att militära anläggningar var målen för anfallen. Jana rapporterade däremot att anfallen hade ett civilt mål. Byrån anklagade Qatar och Förenade Arabemiraten för att bekosta angreppen.