Bathily har vært spesialutsending til Libya siden september 2022, men opplyste tirsdag at han gir seg.
Forsøk på å få i stand en fredsløsning i landet er ifølge Bathily møtt med «trassig motstand, urimelige forventninger og likegyldighet til det libyske folks interesser».
– Jeg mener å ha gjort mitt beste, sa han tirsdag til journalister i FN-hovedkvarteret.
Libya har vært preget av kaos og anarki siden opprørere med luftstøtte fra Norge og andre Nato-land styrtet Muammar Gaddafis regime i 2011.
Opprørsgeneralen Khalifa Haftar og hans mektige LNA-milits kontrollerer de østlige delene av landet, mens rivaliserende krigsherrer og militsgrupper kjemper om makten i hovedstaden Tripoli.
Landet har to regjeringer og er i dag et senter for menneskehandel og et brohode for flyktninger og migranter som forsøker å ta seg sjøveien til Europa.