Två fartyg sätts in till en början, i vad regeringen säger är en operation för att hjälpa den libyska kustbevakningen och rikta in sig på människosmugglare.
Italien är den största mottagaren av migranter som gör den farliga passagen från Libyen.
Tidigare beslagtog Italien ett tyskt räddningsfartyg på ön Lampedusa.
Besättningen ombord på Iuventa, som drivs av den tyska icke-statliga organisationen Jugend Rettet, förhörs på order av den italienska åklagaren.
Medan den icke-statliga organisationen sade att kontrollen var "standardförfarande", polisen sade att fartyget beslagtogs på grund av bevis på "underlättande olaglig invandring".
Två syriska migranter togs iland från fartyget, rapporterade italienska medier.
Lampedusa, en liten italiensk ö i närheten av Nordafrika, har kämpat för att rymma båtlaster med migranter under de senaste åren.
Jugend Rettet är en av flera icke-statliga organisationer som verkar i Medelhavsområdet och som har förkastat en italiensk uppförandekod, som just hade kommit in för att ta itu med frågan.
De icke-statliga organisationerna motsätter sig kravet på att beväpnade poliser ska gå ombord på sina fartyg och att räddningsarbetarna ska upphöra med att överföra migranter från ett fartyg till ett annat. De vill minimera sina resor tillbaka till hamnen, eftersom dessa resor kostar dem dyrbar tid och pengar.
Strax efter det italienska parlamentets omröstning gick en patrullbåt in i Libyens vatten och begav sig till huvudstaden Tripoli.
Den italienske försvarsministern Roberta Pinotti betonade att uppdraget inte skulle vara en "blockad" som hindrar migrerande båtar från att lämna landet.
Rättighetsgrupperna har dock varnat för att de som skickas tillbaka till Libyen utsätts för övergrepp från människohandlarnas sida.
Italien säger att man förhandlar med den libyska regeringen i Tripoli under ledning av premiärminister Fayez Sarraj.
Sarraj sade att hans administration hade gått med på att endast ta emot utbildning och vapen från Italien. "Libyas nationella suveränitet är en röd linje som ingen får korsa", sade han.
Hittills i år har mer än 94 000 migranter korsat Medelhavet till Italien, enligt FN - ett rekordtal. Mer än 2 370 har dött när de försökt nå Italien.
Anlända i juli var dock dramatiskt nere samma månad förra året - 11,193 jämfört med 23,552, enligt inrikesministeriet.
Migranter som plockas upp i Libyens kustvatten - och inte i internationella vatten - kan lagligt återföras till Libyen, men biståndsarbetare säger att förhållandena i flyktingläger är svåra.
Sedan 2015 har så många som ett dussin icke-statliga biståndsfartyg patrullerat av Libyen för att plocka upp migranter i nöd. Hittills i år har de hanterat 35 procent av räddningarna, säger Italiens kustbevakning.
En anmärkning om terminologi: BBC använder termen migrant för att hänvisa till alla personer på resande fot som ännu inte har avslutat den rättsliga processen för att ansöka om asyl. Denna grupp omfattar människor som flyr krigshärjade länder som Syrien, som sannolikt kommer att beviljas flyktingstatus, liksom människor som söker jobb och bättre liv, som regeringar sannolikt kommer att härska över är ekonomiska invandrare.
Italiens parlament har godkänt en plan för att skicka flottbåtar till Libyen som en del av insatserna för att stoppa migranterna från att passera Medelhavet.