Hãng thông tấn TASS đưa tin ngày 23.9, cư dân Cộng hòa Nhân dân Luhansk tự xưng (LPR), Cộng hòa Nhân dân Donetsk tự xưng (DPR), tỉnh Kherson và tỉnh Zaporizhzhia ở Ukraine đã bắt đầu bỏ phiếu trong cuộc về việc gia nhập Nga. Theo Reuters, 4 khu vực này chiếm khoảng 15% diện tích Ukraine. Hiện Nga kiểm soát phần lớn Luhansk và Kherson, khoảng 80% Zaporizhzhia và chỉ 60% Donetsk. Một binh sĩ LPR bỏ phiếu trong cuộc trưng cầu dân ý ở Luhansk, Ukraine ngày 23.9 Reuters Việc trưng cầu dân ý sẽ diễn ra từ ngày 23 - 27.9 và được triển khai theo hình thức gõ cửa từng nhà để đảm bảo an ninh. Các điểm tiếp nhận chỉ mở cửa vào ngày 27.9 để người dân đến bỏ phiếu trực tiếp. Reuters nhận định những thắng lợi gần đây của Ukraine đã khiến các quan chức do Nga hậu thuẫn tại Ukraine phải đẩy nhanh tiến độ tổ chức trưng cầu dân ý và kết quả nghiêng về Nga được dự đoán là khó tránh khỏi. Sau khi sáp nhập 4 khu vực trên, Nga có thể leo thang quân sự khi cần thiết để bảo vệ những nơi Moscow xem là lãnh thổ Nga. Tổng thống Nga Vladimir Putin ngày 21.9 tuyên bố Nga sẽ dùng mọi biện pháp nước này có để tự bảo vệ mình. Phó chủ tịch Hội đồng An ninh Nga Dmitry Medvedev sau đó cho biết điều này nghĩa là Nga có thể dùng vũ khí hạt nhân chiến lược. Ukraine chỉ trích đây là cuộc trưng cầu dân ý dàn dựng, tuyên bố sẽ không công nhận kết quả và cho biết động thái này sẽ phá hủy cơ hội đàm phán . Một loạt lãnh đạo phương Tây, các tổ chức như NATO, Liên minh châu Âu và Tổ chức An ninh và Hợp tác châu Âu (OSCE) cũng lên án việc trưng cầu dân ý và nói rằng hành động này vi phạm nghiêm trọng luật pháp quốc tế. Nga cũng đang bắt đầu thực hiện lệnh động viên một phần mà Tổng thống Putin đưa ra hôm 21.9. Tuy nhiên, CNN dẫn lời các chuyên gia nhận định nước này đang gặp khó khăn trong việc cung cấp vũ khí và huấn luyện cho 300.000 binh sĩ vừa được huy động. Viện Nghiên cứu chiến tranh (ISW) ở Mỹ đầu tuần phân tích một số đơn vị của Nga đã mất 50 - 90% sức mạnh và bị tổn thất khổng lồ về trang thiết bị. Vì vậy, Nga được cho là không đủ vũ khí hiện đại để trang bị cho lực lượng mới. Ngay cả khi Nga làm được điều đó, việc huấn luyện nhanh chóng 300.000 người cũng được xem là điều không thể vì nước này không có đủ sĩ quan và cơ sở vật chất cần thiết. CNN ngày 22.9 cũng dẫn lời các nguồn tin thân cận với tình báo Mỹ cho biết Tổng thống Putin đang trực tiếp đưa ra chỉ đạo cho các tướng lĩnh tham gia chiến dịch quân sự tại Ukraine. Đây là một điều rất khác thường. Các nguồn tin cũng nói các lãnh đạo quân sự Nga đang bất đồng về nơi cần tập trung xây dựng phòng tuyến. Nga chưa lên tiếng trước các bình luận trên. Trong lúc đó, giao tranh tiếp tục diễn ra ác liệt ở những nơi đang tổ chức trưng cầu dân ý. Theo báo cáo tình Anh đưa ra ngày 23.9, tình hình chiến sự vẫn còn phức tạp nhưng Ukraine đang gây áp lực lên các khu vực Nga xem là thiết yếu đối với mục tiêu của chiến dịch quân sự. Bộ Tổng tham mưu ngày 23.9 thì cho biết Nga đã thực hiện các vụ tấn công ở tỉnh Donetsk và những cuộc pháo kích của Ukraine đã khiến một tướng Nga ở Luhansk bị thương.
Cả 4 khu vực ở Ukraine đang thực hiện trưng cầu dân ý về việc sáp nhập Nga trong lúc Tổng thống Nga Vladimir Putin phải đối mặt với nhiều vấn đề sau lệnh động viên một phần.