2月7日、欧州安全保障協力機構(OSCE)の国際監視団や北大西洋条約機構(NATO)の監視団が見守るなか大統領選挙決選投票が行われ、ヤヌコーヴィチが勝利した。中央選挙管理委員会によると、開票率96%の段階でヤヌコーヴィチは48.3%、ティモシェンコは46.0%である。監視団は不正は行われなかったとの認識を示しているが、ティモシェンコの支持者は不正があったと主張している[3]。2月10日、中央選挙管理委員会が発表した最終集計結果によると、ヤヌコーヴィチの得票率は48.95%と、対立候補のティモシェンコの45.47%を3.48%ポイント上回った[4]。
| 位 | 候補者名 | 政党名 | 得票数 | 得票率 |
| 1 | ヴィクトル・ヤヌコーヴィチ | 地域党 | 12,481,266 | 48.95% |
| 2 | ユーリヤ・ティモシェンコ | 全ウクライナ連合「祖国」 | 11,593,357 | 45.47% |
2月13日、決選投票で敗北したティモシェンコはテレビを通じて演説し、「(不正選挙の)証拠があり、裁判所に異議を申し立てる」と述べ、提訴する方針を明らかにし[5]、2月16日、ウクライナ最高行政裁判所に提訴した[6]。これを受けて2月17日、最高行政裁判所は、中央選管のヤヌコーヴィチの勝利認定にティモシェンコが異議を申し立てていたことに関して、ティモシェンコ側の主張を一部認め、審理終了まで当選認定の効力を一時停止することを決定した[7]。しかし2月20日、ティモシェンコ側により訴えが取り下げられたため、ヤヌコーヴィチの当選が確定した[8]。