Ska Krimhalvön ingå i en union med Ryssland eller förbli ukrainskt med utökad självständighet och ett närmande till Ryssland?
En vallokalsundersökning gjord vid söndagens folkomröstning visade att 93 procent hade röstat för det första alternativet.
Valdeltagandet angavs till 80 procent.
Och Krim kommer att agera snabbt för att ansluta sig till den ryska federationen, uppger halvöns premiärminister Sergej Aksionov till den ryska nyhetsbyrån Interfax.
Den lokala regeringen planerar att sammanträda på måndagsmorgonen för att be Rysslands president Vladimir Putin om tillstånd.
-Vi kommer att göra allt så snart som möjligt i överensstämmelse med alla lagliga procedurer, säger han.
Siffrorna från vallokalsundersökningen är inte överraskande, säger Gudrun Persson, säkerhetspolitisk analytiker på Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI).
Anledningen är att befolkningen matats med den ryska mediebilden att valet stod mellan att tillhöra Ryssland eller ett Kiev med nazister i regeringen, men också på grund av att många tror att de kan få högre levnadsstandard genom att byta land.
-Sedan 1991 har det gått betydligt bättre för Ryssland än för Ukraina, som är i ekonomisk bankrutt. Då är förhoppningen att det ska bli bättre under Ryssland. Putin har också sagt att i Ryssland har pensionärerna tre gånger mer i pension jämfört med i Ukraina, säger hon till TT.
Medier på plats rapporterar att det firas på många håll.
Direktsända bilder från Simferopol visade under dagen en strid ström av väljare på väg mot valurnorna, i snöblandat regn. I kuststaden Sevastopol syntes ryska flaggor på bilar, bussar och hus. Staden, hemmahamn för ryska Svartahavsflottan, är hem för många rysktalande.
80-åriga Aleftina Limova sade att hon är född i Ryssland och vill bli rysk igen.
-Jag har inte sovit på hela natten. Jag har väntat på den här stunden, och allt går som jag vill, sade hon till AFP.
Nu ligger bollen hos Ryssland, säger Gudrun Persson. Putin har två alternativ: Antingen att acceptera Krim som en del av den ryska federationen, något som en majoritet av de ryska politikerna stöder, eller att erkänna Krim som en självständig stat och samtidigt hjälpa det nya landet politiskt och ekonomiskt.
-I det sista fallet blir det som med Abchazien och Sydossetien, att man fryser och permanentar konflikten. Det hade också varit taktiskt från rysk sida, eftersom man då inte kan anklagas för att ha annekterat Krim.
Men folkomröstningen underkänns av omvärlden, och har orsakat en kris i östvästliga relationer som knappast setts sedan kalla kriget.
EU anser att folkomröstningen på Krim är olaglig och kommer i morgon att besluta om sanktioner. EU:s utrikesministrar kommer att utvärdera situationen och besluta om eventuella ytterligare åtgärder mot Moskva, rapporterar AFP.
Också det amerikanska presidentkansliet avvisar omröstningen. Vita huset kallar Rysslands agerande "farligt och destabiliserande".
Storbritanniens utrikesminister William Hague beskriver folkomröstningen på Krim som "en parodi på ett verkligt demokratiskt förfaringssätt".
Folkomröstningen på Krim kan bli den första av flera omröstningar i Ukraina om att tillhöra Ryssland, säger Gudrun Persson på FOI.
-Det kommer nu krav från den ryska befolkningen i Donetsk och Charkiv att Ryssland ska komma dit och skydda även dem, att de också vill ha en folkomröstning. Det går inte att utesluta att det blir en fortsättning och en upptrappning, säger hon till TT.
På eftermiddagen stormade tusentals proryska demonstranter ukrainska myndigheter i Donetsk, och flera skadades när polisen upplöste protesterna. Demonstranterna krävde att gripna anhängare till Ryssland släpps.