Согласно Конституции Украины, всеукраинский референдум может быть назначен президентом или Верховной радой. Если власти отказываются проводить референдум, с такой инициативой может выступить народ. Для этого необходимо собрать не менее 3 млн подписей как минимум в двух третях областей страны, причем не менее чем по 100 тыс. в каждой области.
В октябре 2005 года Социал-демократическая партия Украины (объединенная) выступила с инициативой проведения референдума по вопросу вступления Украины в НАТО.
24 ноября 2005 года ЦИК зарегистрировал 109 инициативных групп для сбора подписей.
28 февраля 2006 года в Центризбирком были переданы 4,662 млн подписей, собранные по всей стране.
В мае 2006 года тогдашний председатель ЦИКа Ярослав Давыдович заявил, что подлинность многих подписных листов вызывает сомнение. Их проверка проводилась Центризбиркомом вплоть до ноября 2006 года. Все это время в комиссию поступали жалобы из областей о нарушениях, допущенных при сборе подписей. По факту фальсификации подписных листов были возбуждены уголовные дела.
Осенью 2006 года СДПУ(о) обратилась в Печерский районный суд Киева с требованием признать противоправной бездеятельность ЦИКа относительно организации референдума.
11 декабря 2006 года суд удовлетворил требование СДПУ(о).29 декабря 2006 года ЦИК, выполняя решение суда, официально признал действительными 4,431 млн подписей и передал необходимые документы президенту, с тем чтобы он, согласно Конституции, объявил дату проведения референдума.
15 января 2007 года Апелляционный суд Киева отменил решение Печерского суда в части признания действий ЦИКа противоправными.