Inizialmente previsto il 25 maggio 2014, stesso giorno delle elezioni presidenziali in Ucraina, fu anticipato prima al 30 marzo e poi al 16 marzo. Il referendum fu preceduto il 4 marzo 2014 dalla richiesta del parlamento della Crimea, approvata con 78 voti su 81, che la repubblica – se fosse divenuta indipendente – potesse entrare a far parte della Federazione russa. Inoltre, l’11 marzo 2014 la repubblica dichiarò unilateralmente l’indipendenza dall’Ucraina.

Il 21 marzo 2014 la Duma discusse un disegno di legge per l’adesione della Crimea alla Federazione russa.

Al referendum furono ammessi a votare tutti i maggiorenni in possesso della cittadinanza ucraina residenti in Crimea e i cittadini russi ivi presenti e in possesso del permesso di soggiorno nella penisola. Il Ministero della Giustizia ucraino, in occasione del referendum, bloccò la banca dati con il registro degli elettori della Crimea, per cui furono utilizzati gli elenchi degli elettori, forse non aggiornati, risalenti alle elezioni alla Verchovna Rada, il parlamento della Crimea, del 2012.

Al referendum furono presenti 70 osservatori internazionali da 23 paesi; di questi, 54 erano provenienti da paesi dell’Unione Europea e includevano membri del parlamento europeo e dei parlamenti nazionali dei singoli paesi. L’OSCE non partecipò considerando il referendum illegale nella forma.

I seggi furono aperti dalle 8.00 alle 20.00 (UTC+4) e fino alle 22.00 a Sebastopol. Furono stampate 1 550 000 schede per un costo complessivo di 2 milioni di dollari (pari a circa 18 milioni e mezzo di grivnie ucraine). 1 500 soldati furono presenti nei seggi elettorali in tutta la repubblica autonoma e furono formate 192 commissioni elettorali ripartite in 27 commissioni elettorali territoriali. Il 13 marzo 2014, secondo il ministro della difesa ucraino, Vitalij Jarema, erano presenti in Crimea 18 430 soldati russi.