公投于英国夏令时间23日早上7时开始，至晚上10时结束。虽遇上英格兰东南部及伦敦下暴雨，致街道水浸和两个投票站关闭，但大量选民仍冒雨投票。据BBC报道，「脱欧」派以51.9%胜出，「留欧」阵营得票则有48.1%，英国脱欧已成定局。至于官方则于当地时间24日早上近7时半，正式公布脱欧公投结果。卡梅伦于当地时间24日上午在唐宁街10号发表声明，表示会「尊重人民决定」，并宣布辞职，但表示会留任至今年10月让保守党大会选出新首相为止。英国独立党领袖法拉奇宣布，脱欧阵营在公投中取得胜利，并称24日是英国的「独立日」。
在英国脱欧「突袭」下，全球金融市场动荡，英镑兑美元急挫9.07%，跌破31年来低位；亚太区股市爆灾，日股中午开市后挫逾千点，日本财务大臣麻生太郎表示，对英国脱欧给市场造成的影响感担忧，必要时将采取行动，平抑市场，必要时七国集团（G7）成员国家可以使用外汇互换。
香港股市「脱欧概念股」全线重挫，恒指在汇控、长和系、石油等股份拖累下急泻，一度大跌1,204点，跌幅达半成，收报20,259点，跌609点或2.92%。汇控最多跌12.4%，为7年来最大跌幅。与外围股市动荡相比，中国股市相对稳定，沪指最多跌2%，收市跌37点或1.3%。
欧洲股市开市全面暴泻，英国富时100指数跌7.7%至5,849点，法国CAC指数跌6.55%，德国DAＸ指数跌10%。另外，标普500指数期货跌幅扩大至5.1%，触发熔断；道琼斯工指指数期货跌3.9%。资金流入黄金及日圆等避险资产，除日圆外，亚洲货币普遍下跌，其中人民币跌至5年半新低。
今次是英国有史以来第3次举行公投，全国约有4,650万名选民登记参加公投，早上7时起，民众陆续进入各投票点。不过伦敦及英格兰东南部却于凌晨下大雨，部分地区洪水暴发。暴雨令一些街道水浸，伦敦地铁和周围的铁路网受阻；伦敦西南部泰晤士河畔金斯顿区有两个投票点因洪水关闭，搬往其他地点。
但英媒报道，大量选民仍冒着大雨和雷暴前往票站投票。一位名叫迈克尔的男士对记者说：「我选择留在欧盟。有了欧盟的支撑，我们可以获得更多经济上的支持。」另一位年长的投票者马克斯表示：「我选择脱离欧盟，因为我认为英国要能够在自身经济和移民问题上作主，尽管这会带来短期阵痛。」
欧盟3巨头欧洲理事会主席图斯克、欧盟委员会主席容克与欧洲议会议长舒尔茨，定于当地时间24日上午10时半在欧盟委员会总部召开会议。欧盟轮值主席、荷兰首相吕特也会参加，磋商欧盟未来发展。原先预计在23日召开的欧盟例行峰会，因英国脱欧公投延后至28日。
