Sporné referendum, ve kterém 95,6 % hlasujících obyvatel města (při účasti 89,5 %) podpořilo vstup do Ruské federace, proběhlo 16. března. O den později městská rada odhlasovala žádost o vstup do Ruské federace. Současně proběhlo paralelní referendum na Krymu. V úterý 18. března pak podepsali Vladimir Putin, krymský premiér Sergej Aksjonov, předseda sevastopolské městské rady Alexej Čalyj a předseda krymského parlamentu Vladimir Konstantinov dohodu o připojení Krymu a Sevastopolu k Ruské federaci. Město Sevastopol se tím stalo federálním městem Ruské federace (ve stejných hranicích, jaké mělo dosud v rámci Ukrajiny).