Согласно статье 2 Закона, решение о выходе республики из состава СССР могло быть действительно принято только на основе народного волеизъявления — референдума. Но до референдума 1 декабря 1991 года Украина участвовала в союзном референдуме 14 марта 1991 года. В референдуме в Украинской ССР приняло участие 83,5 % имевших право голосовать. Большинство — 56,2 % — высказалось за сохранение Союза.
Верховный Совет УССР в 1991 году не имел права созывать повторный референдум. Статья 10 Закона предусматривала 10-летний интервал в проведении референдумов о членстве республики в составе СССР, если в результате народного волеизъявления количество проголосовавших за выход не превышало 2/3. Буквально это формулировалось следующим образом: «В случае, если по итогам референдума не принято решение о выходе союзной республики из СССР, новый референдум по этому вопросу может быть проведен не ранее чем через десять лет с момента проведения предыдущего референдума». Следуя этому положению, всеукраинский референдум 1 декабря 1991 года был незаконным, так как состоялся по прошествии менее 9 месяцев после референдума о сохранении Союза, тогда как требовалось 10 лет. Новый референдум на Украине мог быть проведен только в 2001 году.
Сама процедура проведения референдума могла, согласно статье 2 Закона, быть реализована «не ранее чем через шесть месяцев после принятия решения о постановке вопроса о выходе союзной республики из СССР». Но инициаторы выхода Украины из состава СССР торопились. О намерении провести референдум Верховный Совет Украинской ССР объявил 24 августа 1991 года. Соответственно, референдум мог состояться не ранее 24 февраля 1992 года. Созыв его на три месяца раньше 1 декабря 1991 года был незаконным.
Статья 3 Закона давала возможность при выходе союзных республик из состава СССР проведение самостоятельного референдума о пребывании в составе Союза автономных республик, автономных областей и автономных округов. Буквально это означало, что Крымская АССР имела полное право оставаться в СССР даже при выходе из него Украины. Это право, как известно, реализовано не было.
Отдельно следовало даже учитывать позицию компактно проживающих на территории республик и составляющих большинство на локальных территориях национальных меньшинств. Из этого следовало, в частности, что русские, компактно проживающие на территории союзных республик, при выходе их из состава СССР могли высказаться за сохранение соответствующих регионов в Союзе. Таким правом, например, могли воспользоваться жители южных и восточных областей Украины. Очевидно, что при соблюдении этих правил в случае распада границы Украины были бы совершенно другими.
Сама процедура выхода союзной республики из состава СССР была достаточно длительной и включала несколько этапов. Сначала Верховный Совет ССР должен был рассматривать состоявшийся в республике референдум на соответствие Закону. Если он соответствовал Закону, только тогда осуществлялась передача вопроса о выходе Съезду народных депутатов СССР. Окончательное решение — признавать или не признавать выход республики из СССР — выносил именно Съезд народных депутатов СССР. После того как все-таки Съезд сходился в решении инициировать процедуру выхода, устанавливался переходный период. Продолжительность переходного периода могла доходить до пяти лет. На время переходного периода на территории республики сохраняли действие Конституция СССР и законы СССР (статья 9). Когда переходный период истекал, Закон устанавливал возможность проведения повторного подтверждающего референдума. И только если и на нем 2/3 населения голосовало за выход, он легитимизировался (статья 19). Вновь собирался Съезд народных депутатов СССР, который выносил уже окончательное решение.
Все это практически означало следующее: если референдум о выходе Украины из состава СССР был проведен 1 декабря 1991 года, то до конца 1996 года она должна была находиться в составе Союза и подчиняться союзным законам. Кроме того, решение о выходе должно было рассматриваться на уровне Съезда народных депутатов СССР. Решения Верховного Совета Украинской ССР для легитимизации результатов референдума было недостаточно. Как известно, вопрос о выходе Украины из состава СССР Съездом Народных депутатов СССР не рассматривался.