Human Rights Watch anser att Nato flyganfall dödade minst 72 civila och säger att organisationen måste bära ansvaret där så är lämpligt.
"Vi kräver snabba, trovärdiga och grundliga undersökningar," HRW: s Fred Abrahams berättade BBC News.
Nato insisterar på att det tog aldrig tidigare skådad hänsyn till att minimera civila offer.
Den hävdar att den inte kan ta ansvar eftersom den inte har haft någon närvaro på plats för att bekräfta dödsfallen.
Flygplan från USA, Storbritannien och Frankrike genomförde de flesta av de 9 658 strejksorterna förra året, riktade styrkor som var lojala mot den libyske ledaren överste Muammar Gaddafi.
I mars en annan människorättsorganisation,  
          Amnesty International, sade att det hade dokumenterat 55 fall
 av namngivna civila, däribland 16 barn och 14 kvinnor, dödade i flyganfall.
Den beskrev Natos underlåtenhet att grundligt undersöka dessa fall som "djupt nedslående".
Poängen med Natos flygkampanj i Libyen förra året var att skydda civila, så hur många oskyldiga människor som dog är fortfarande en känslig fråga, rapporterar BBC:s diplomatiska korrespondent Bridget Kendall.
I sin rapport som publicerades på måndagen, HRW sade att man hade granskat i detalj bevis på påståenden om civila dödsfall från åtta separata Natostrejker.
I ett fall sades det att en första Natobomb dödade 14 personer och att en andra bomb, några ögonblick senare, dödade ytterligare 18 som hade rusat för att hjälpa offren.
Det som oroar Abrahams, betänkandets huvudförfattare, är att dödsfallen förblir obekanta och att familjerna inte har erbjudits någon ersättning.
"Tills nu, Nato har intagit en ståndpunkt av förnekande", sade han.
Källa: Nato
"De vägrar att ge information om hur de dog och vägrar att undersöka, och det är denna brist på öppenhet som är djupt oroande.
"Jag tror att det kommer att leda till onödiga civila dödsfall i framtiden om Nato vägrar att titta på vad som gick fel och göra korrigeringar."
Nato säger att det är redo att samarbeta med de nya libyska myndigheterna för att bedöma vilka ytterligare åtgärder som är lämpliga.
Men än så länge tycks den arbetsgrupp som inrättats i Tripoli inte ha gjort några större framsteg, tillägger vår diplomatiska korrespondent.
En ledande människorättsorganisation har uppmanat Nato att till fullo undersöka civilas död i flyganfall i Libyen förra året.