As sondagens realizadas à boca das urnas indicam que o "Não" obteve entre 54 e 58%, contra 42 a 46% para o "Sim".
Renzi, que tinha prometido demitir-se caso perdesse, deverá fazer uma declaração a partir da residência oficial do primeiro-ministro, Palácio Chigi, pelas 23:00.
A derrota e a provável demissão de Renzi vai mergulhar Itália numa nova fase de incerteza política e possível perturbação económica.
O Presidente italiano, Sergio Mattrella, deverá nomear um governo de gestão até às próximas eleições gerais, previstas para a primavera de 2018.
Os principais partidos de oposição defenderam a realização de eleições antecipadas em caso de vitória do "Não".
A reforma constitucional que estava em referendo foi aprovada pelo Parlamento e, entre outras coisas, retiraria a função legislativa ao Senado.