Pur tra i mille dubbi espressi da Stati Uniti e Unione Europea, il referendum in Crimea si è svolto come previsto, e si è concluso alle 20:00 del 16 marzo, ora locale. Lo stesso giorno, dopo aver eseguito più della metà del conteggio dei voti, il presidente della Commissione per il referendum, Mikhail Malyishev ha annunciato che il tasso di affluenza alle urne è stato di oltre l'82%, di cui il 95,5% a favore dell'adesione alla Federazione Russa. Lo stesso giorno, nella Piazza d'Indipendenza, a Kiev, è stato organizzato un nuovo raduno per invitare all'unificazione e alla pace nel paese. Vista la situazione di tensione in Crimea, la comunità internazionale ha intensificato le sue consultazioni.

Il 16 marzo, il presidente russo, Putin, ha avuto un'agenda densa d'incontri bilaterali; ha avuto un colloquio telefonico rispettivamente con la cancelliera tedesca, Angela Merkel e con il presidente del Kazakhstan, Nazarbaiev. Secondo le informazioni rilasciate dall'Ufficio stampa del Cremlino, durante il colloquio con la Merkel, Putin ha sottolineato che la Russia rispetterà la scelta fatta dagli abitanti della Crimea. Il referendum è un'azione che mostra la volontà della popolazione della repubblica autonoma, e questo è certamente conforme alle norme del diritto internazionale e della Carta delle Nazioni Unite, che stabiliscono i principi di uguaglianza e autodeterminazione dei popoli. Il presidente russo ha aggiunto che, con la connivenza dell'attuale regime di Kiev, alcune organizzazioni radicali si sono mosse nella direzione di un aumento dell'escalation della tensione nell'est e sudest dell'Ucraina, esprimendo a questo proposito la sua preoccupazione. Putin e la Merkel hanno avuto uno scambio di opinioni sulla possibilità di inviare in Ucraina una missione dell'Organizzazione per la Sicurezza e la Cooperazione in Europa per controllare la situazione, e sono rimasti d'accordo sulla necessità di continuare a mantenersi in contatto sugli sviluppi della questione ucraina, attraverso dei colloqui tra i ministri degli Esteri dei due paesi. Lo stesso giorno, Putin ha telefonato anche a Nazarbaiev, con il quale ha discusso dell'organizzazione del referendum in Crimea e della libertà della popolazione di poter decidere del proprio destino.

Dopo il referendum, Obama ha telefonato a Putin per la terza volta dal 1 marzo, giorno in cui la Russia ha deciso l'invio dei soldati nel paese. Il presidente americano ha dichiarato che gli Usa non riconosceranno mai il risultato del referendum, dicendo inoltre che la Russia pagherà a caro prezzo il suo comportamento. Obama ha inoltre sottolineato che il referendum è stato organizzato sotto la "coercizione" dell'intervento militare russo, e in palese violazione della costituzione ucraina. Per questo motivo, "gli Usa e la comunità internazionale non riconosceranno mai quanto uscito dalle urne"; l'azione della Russia ha incrinato la sovranità e l'integrità territoriale ucraina.

Nella corso della chiamata, Putin ha sottolineato che il referendum è stato organizzato e si è svolto in modo assolutamente conforme alle norme del diritto internazionale e alla Carta delle Nazioni Unite, dunque è necessario garantire ai cittadini della Crimea il diritto all'autodeterminazione. Il presidente russo ha inoltre aggiunto che l'attuale regime di Kiev non è in grado e non ha la volontà di abbandonare il nazionalismo e la sua connivenza con dei movimenti radicali interni. Dunque se si deciderà di inviare in Ucraina una missione dell'Organizzazione per la Sicurezza e la Cooperazione in Europa, la sua attività dovrà coprire tutto il territorio nazionale.

Anche se le divergenze tra Obama e Putin sono ancora grandi, entrambe le parti hanno espresso la volontà di trovare insieme una via per promuovere la stabilizzazione della situazione in Ucraina.

Inoltre il 16 marzo, il ministro degli Esteri russo, Serghei Lavrov ha telefonato nuovamente al segretario di stato americano, John Kerry. Si è trattato del terzo colloquio telefonico tra i due negli ultimi tre giorni. Nel corso della chiamata, Lavrov ha dichiarato la posizione di principio della parte russa sulla questione del referendum in Crimea, sottolineando che le azioni provocatorie che hanno avuto luogo recentemente nel sudest dell'Ucraina, con la partecipazione degli ultranazionalisti, hanno provocato morti e feriti tra la popolazione, e hanno gravemente compromesso la stabilità della regione. Lavrov ha rivolto un appello agli Usa affinché esercitino la loro influenza sulle autorità di Kiev e le convincano ad adottare misure efficaci per porre fine alle azioni illegali e ai disordini che danneggiano i residenti delle aree dove si parla il russo e i cittadini ucraini che hanno un'opinione diversa.

Dal canto suo, Kerry ha chiesto alla Russia di ritirare le sue truppe dalla Crimea per fare in modo che la popolazione possa decidere liberamente del suo destino, dicendo nuovamente che la posizione del governo americano è di non riconoscimento del risultato del referendum.

Lo stesso giorno, sul sito web ufficiale dell'Ue, il presidente del Consiglio europeo, Van Rompuy e il presidente della Commissione europea, Jose Manuel Barroso, hanno rilasciato una dichiarazione congiunta, affermando che il referendum in Crimea si è svolto in violazione della costituzione ucraina e delle norme del diritto internazionale, e che dunque l'Ue non ne riconosce la validità. I leader dell'Ue hanno sottolineato che per il momento, la via di risoluzione dell'attuale crisi ucraina deve basarsi sul rispetto dei principi di sovranità e d'integrità territoriale, esprimendo una forte condanna per l'insistenza da parte della Crimea di organizzare il referendum. La dichiarazione ha invitato la Russia a ritirare tutti i suoi mezzi militari eccetto quelli che secondo contratto può lasciare nella base della Flotta del Mar Nero, in Crimea, e a intavolare un dialogo diretto con l'Ucraina a livello governativo.