Các phòng phiếu trên khắp Crimea mở cửa vào lúc 8h (giờ địa phương, 6h00 GMT) và đóng cửa 12 tiếng đồng hồ sau đó. Khoảng 1,5 triệu cử tri đủ điều kiện đi bỏ phiếu tại 1.205 điểm bỏ phiếu trên khắp khu vực này. Giới chức Crimea tuyên bố có khoảng 70 đại diện từ 23 quốc gia đăng ký quan sát viên cuộc trưng cầu dân ý. Đó là các đại biểu quốc hội, các chính trị gia và các nhà hoạt động nhân quyền nổi tiếng.
Kết quả sơ bộ được thông báo ngay sau khi các phòng phiếu đóng cửa lúc 20h (giờ địa phương, 18h GMT). Kết quả bỏ phiếu chính thức sẽ được công bố khoảng một hoặc hai ngày sau cuộc trưng cầu ý dân. Trên lá phiếu, các cử tri được hỏi liệu họ có muốn Crimea sáp nhập lại vào Nga hay không. Câu hỏi thứ hai được đưa ra về việc Ukraine có nên quay trở lại với thể chế theo Hiến pháp năm 1992 – tức là Crimea có nhiều quyền tự trị hơn.
Tại một điểm bỏ phiếu bên trong một ngôi trường trung học ở Simferopol - thủ phủ của Crimea, hàng chục người đã xếp hàng bên ngoài để được bỏ lá phiếu của mình sớm. “Tôi sẽ bỏ phiếu cho Nga. Đây là lý do tôi đứng đợi ở đây. Chúng tôi là một gia đình và chúng tôi muốn sống với những người anh em của mình. Chúng tôi muốn rời khỏi Ukraine vì những người Ukraine nói với chúng tôi rằng chúng tôi là những người thuộc tầng lớp thấp hơn” – Hãng tin Reuters dẫn lời cô Svetlana Vasilyeva, một bác sỹ thú y 27 tuổi. Theo ghi nhận của báo giới, chỉ trong 10 phút sau khi các hòm phiếu được mở ra, tại một điểm bỏ phiếu ở Simferopol đã có 100 người đến bỏ phiếu.
Tương lai của các lực lượng vũ trang Ukraine ở Crimea sau cuộc bỏ phiếu ngày 16/3 là một trong rất nhiều những câu hỏi chưa có lời đáp. Giới chức Crimea trước đó nói rằng các binh lính Ukraine sẽ có quyền lựa chọn bỏ vũ khí và ra đi trong hòa bình hoặc gia nhập các lực lượng vũ trang thân Nga.
Cuộc trưng cầu dân ý đã bị Kiev và phương Tây chỉ trích là “bất hợp pháp” nhưng được Moscow ủng hộ. Kể từ khi Tổng thống thân Moscow Viktor Yanukovych bị lật đổ, Crimea đã nằm dưới quyền kiểm soát của lực lượng dân quân địa phương. Người gốc Nga chiếm đến 58,5% dân số ở Crimea và những cử tri được dự đoán sẽ bỏ phiếu ủng hộ Crimea rời khỏi Ukraine. Ngay khi cuộc trưng cầu đang diễn ra, những lá cờ Nga đã được treo trên các đường phố ở Sevastopol.
Tuy nhiên, một số người lại cho biết muốn Crimea vẫn là một phần của Ukraine nhưng có nhiều quyền tự trị hơn. “Theo quan điểm của tôi, Ukraine cần phải có đầy đủ quyền tự chủ để quản lý tài chính của mình. Sẽ không có áp lực nào từ Chính phủ. Tôi ủng hộ độc lập” – một người dân tên Serhiy Resehtnyk nói. Bên cạnh đó, người Tatar ở Crimea cũng đã tuyên bố tẩy chay cuộc trưng cầu dân ý.
Nga trước đó đã phủ quyết nghị quyết lên án cuộc trưng cầu dân ý của Hội đồng Bảo an Liên Hợp quốc. Nghị quyết nói trên nhận được 13 phiếu ủng hộ trong Hội đồng Bảo an do Trung Quốc đã bỏ phiếu trắng. Mỹ và EU cũng đã cảnh báo họ có thể áp dụng thêm các biện pháp trừng phạt nghiêm khắc hơn đối với các quan chức Nga nếu cuộc trưng cầu dân ý vẫn được tiến hành.