선거 공약대로 캐머런은 영국이 유럽연합(EU) 회원국으로 남을지 여부를 묻는 국민투표 날짜를 정하고, "개혁된 EU" 내에 영국이 남도록 캠페인을 벌이겠다고 발표했습니다. 영국의 EU 회원국 자격 조건은 재협상되었습니다. 이 국민투표는 브렉시트(영국을 뜻하는 'British'와 탈퇴를 뜻하는 'exit'의 합성어)로 알려지게 되었으며 2016년 6월 23일에 실시되었습니다. 결과는 약 52%가 유럽연합 탈퇴에 찬성, 48%가 반대였으며 투표율은 72%였습니다.
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