投票至當地晚上8時結束，約150萬選民可參與投票，雖然當地烏克蘭裔與克里米亞韃靼人表示杯葛，但佔人口近六成的俄裔選民料多會支持加入俄羅斯。投票期間，民兵和哥薩克騎兵巡邏街道，俄軍則包圍當地的烏克蘭軍營，確保投票順利舉行。

烏克蘭總理亞采紐克警告，會將克里米亞地區鼓吹分離主義的人繩之於法。烏國強調不會從克里米亞撤兵，又威脅當地須倚賴烏克蘭提供水電，無法脫離烏克蘭。不過克里米亞當局稱，俄羅斯會提供一切支援，估計公投後最多1年可正式併入俄羅斯。