Các điểm bỏ phiếu tại 27 khu vực được mở cửa từ 13h tới 1h ngày 16/3. Các cử tri có thể nhận phiếu bầu ngay tại điểm bỏ phiếu sau khi xuất trình hộ chiếu hoặc giấy tờ tùy thân.

Khoảng 1,52 triệu cử tri tham gia bỏ phiếu phải trả lời hai câu hỏi: Crimea sáp nhập vào Nga hay vẫn là một phần của Ukraina.

Khoảng 10.000 binh lính Crimea đã lập thành các đội tự vệ. Hơn 5.000 cảnh sát sẵn sàng làm nhiệm vụ để bảo đảm cuộc bầu cử diễn ra suôn sẻ. 

135 quan sát viên đến từ 23 quốc gia bao gồm Áo, Bỉ, Bungary, Pháp, Đức, Hungary, Italy, Latvia, Ba Lan đã tới Criema để giám sát cuộc trưng cầu. Các thành viên của Liên minh châu Âu EU, Nghị viện châu Âu, các chuyên gia luật pháp quốc tế, các nhà hoạt động nhân quyền cùng 1.240 quan sát viên địa phương đang theo dõi hoạt động bỏ phiếu tại các địa điểm trên toàn Crimea. 623 nhà báo từ 169 hãng truyền thông quốc tế cũng tới Crimea để đưa tin.

Các phóng viên có thể hiện diện tại mọi điểm bầu cử. Một trung tâm báo chí mở cũng đã được thiết lập tại thành phố Simferopol. Nơi đây sẽ cập nhật thông tin thường xuyên về quá trình trưng cầu dân ý và kết quả kiểm phiếu. 

Chính quyền địa phương cho biết, kết quả kiểm phiếu sơ bộ có thể được xác định trong khoảng một vài giờ sau khi kết thúc bỏ phiếu, trong khi kết quả cuối cùng sẽ được công bố vào ngày 17/3. 
Theo kết quả của một cuộc thăm dò dư luận hồi đầu tuần ở Crimea, hơn 90% người dân địa phương ủng hộ quyết định sáp nhập Crimea vào Nga.

Trước đó, cuộc trưng cầu đã vấp phải nhiều hành động khiêu khích của những người phản đối trên bán đảo và các mối đe dọa tới từ chính phủ tại Kiev cùng các chính trị gia phương Tây.

Vào đêm trước ngày cuộc trưng cầu diễn ra, lực lượng tự vệ Crimea đã chặn một hành động nhằm phá hỏng đường ống dẫn khí tại Arabat Spit. Theo Thủ tướng Crimea Sergey Aksyonov, những kẻ phá hoại đường ống dẫn khí tự xưng là thành viên của lực lượng biên phòng. 

Tại Simferopol, giới chức đã bắt giữ một số kẻ lợi dụng vỏ bọc của cảnh sát để lấy cắp hộ chiếu mà nhà chức trách cấp cho một số công dân trong trường hợp không có thẻ căn cước để tham gia bầu cử. Hành vi gian lận tương tự cũng xuất hiện tại thị trấn Saky ở phía tây bán đảo Crimea.

Nhiều người theo chủ nghĩa dân tộc tới từ phía tây Ukraina đã cố gắng đột nhập vào khu tự trị để tổ chức các cuộc biểu tình chống lại sự độc lập của Crimea. Họ la hét các câu khẩu hiệu đồng thời kêu gọi người dân không bỏ phiếu.

Bên cạnh đó, nhiều cuộc biểu tình ủng hộ Nga đã diễn ra tại khu vực phía đông Ukraina và Crimea. Người dân tại các thành phố Simferopol, Odessa, Kharkov, Donetsk, Lugansk… đã xuống đường tỏ sự ủng hộ cuộc trưng cầu dân ý tại Ukraina. 

Sau cuộc chuyển giao quyền lực diễn ra tại thủ đô Kiev, Ukraina vào 22/3, Tổng thống bị phế truất Viktor Yanukovych đã chạy trốn khỏi đất nước. Quốc hội của khu tự trị Crimea, nơi gần 60% dân cư là người Nga, đã không thừa nhận chính phủ lâm thời tại Kiev là hợp pháp và quyết định tách khỏi Ukraina.

Hôm 11/3, Quốc hội Crimea đã thông qua một tuyên bố độc lập, mở đường cho cuộc trưng cầu dân ý diễn ra vào ngày 16/3.