Cameron kunngjorde i februar 2016 folkeavstemning om Storbritannias medlemskap i Den europeiske union. Statsministeren var tilhenger av fortsatt medlemskap. Folkeavstemningen ble avholdt 23. juni 2016 og endte med flertall mot britisk medlemskap. Etter nederlaget kunngjorde Cameron at han kom til å gå av som statsminister, med sikte på å ha en etterfølger på plass til Det konservative partis landsmøte oktober 2016.