第二輪投票于11月21日舉行。第二天，11月22日，烏克蘭中央選舉委員會公布第二輪投票的初步結果，亞努科維奇獲勝。但官方公布的選舉結果與部分西方國家支持的民意調查機構的結果相反。尤先科對大選初步結果提出質疑，稱當局"操縱選舉"，遂以選舉過程存在嚴重的弄虛作假現象為由，拒絕承認選舉結果，並舉行大規模抗議活動。約有20萬名選民冒著風雪聚集在基輔獨立廣場前，指責當局舞弊。上萬名參加游行示威的群眾包圍了總統府官邸，烏克蘭政府派出防暴警察維持秩序。
2004年11月23日，烏克蘭議會召開緊急會議，商討大選爭議和舞弊問題。由于450名議員中只有100多人與會，會議無果而終。會議結束後，尤先科自行宣布獲勝，並在議會舉行了"總統宣誓"儀式。烏議長利特溫憤然離去，以示抗議。烏克蘭西部和中部的3個州及10多個市議會承認尤先科當選總統，包括外交部發言人在內的150多名烏外交官也突然"倒戈"，宣布支持尤先科。
面對日益激化的矛盾，烏克蘭當局謹慎應對，防止事態擴大。烏時任總統庫奇馬，11月23日打破沉默，指責反對派及其支持者的行為是一場"政治鬧劇"。11月24日，他再次強調，烏政府在任何內外壓力下都將掌控局勢，不允許強力奪權。庫奇馬說，烏克蘭正處于獨立以來最嚴重的政治危機中，他呼籲所有政治力量進行談判。亞努科維奇同日在政府會議上強調，烏武裝力量在任何情況下都不能介入國內的政治沖突。烏內務部、國家安全局和國防部也發表聲明，呼籲反對派遵守憲法，不要將強力部門拖入政治漩渦之中。
2004年11月24日晚，烏克蘭中央選舉委員會主席基瓦洛夫宣布：在第二輪總統選舉中，亞努科維奇獲得49.46%的選票，尤先科獲得46.61%的選票，亞努科維奇當選烏克蘭新一屆總統。隨後，亞努科維奇在國家電視一台發表講話，表示將與尤先科陣營進行談判，並會見尤先科的支持者，回答他們感興趣的問題。亞努科維奇競選總部還提出了包括政治改革、保障反對派權益在內的"五點和解步驟"，呼籲庫奇馬、亞努科維奇、利特溫與尤先科盡快舉行四方談判。
烏官方宣布亞努科維奇獲勝後，尤先科立即向獨立廣場上的數萬名支持者發表講話，宣布從11月25日起實行全烏政治大罷工，成立"保護民主救國委員會"，並指責亞努科維奇當選是"非法"的，使烏克蘭處于沖突的邊緣。反對派代表向烏最高法院提起上訴。尤先科的追隨者季莫申科表示要抗議到底，在三周內實現"格魯吉亞式的革命"。
據選舉委員會公布的數字表明，亞努科維奇在總統選舉第二輪投票中共贏得10個選區，得票1509.36萬張，尤先科在18個選區獲得勝利，得票1422.22萬張。亞努科維奇比尤先科多得87.14萬張選票。
國際社會對亞努科維奇當選烏總統紛紛作出反應。聯合國秘書長安南對烏局勢發展表示擔憂，呼籲各方保持克制，遵守民主原則。
美國和歐洲均對此表示不滿和抗議。美國國務卿鮑威爾11月24日發表談話，提出烏總統選舉不符合國際標准，美國不承認烏總統選舉結果，並呼籲對烏克蘭大選操作程序和計票進行全面調查。他強調："我們與歐盟委員會主席巴羅佐、歐盟負責外交和安全政策的高級代表索拉納，就烏克蘭局勢交換意見並達成共識，要求庫奇馬不要對示威者采取任何鎮壓手段。"歐美部分國家領導人公開宣稱，不承認烏"偽造的選舉結果"，因為計票結果存在疑問，必須全面審查選舉結果。
俄羅斯與美歐的態度截然相反。俄羅斯總統普京11月23日表示，不能接受一些國際觀察員對烏大選所持的懷疑態度。"烏克蘭有完善的權力機構，選舉最終結果只能由烏克蘭中央選舉委員會來宣布"。俄國家杜馬11月24日發表聲明，呼籲烏各派力量在沒有外來干預的情況下，依照法律找到解決危機的辦法。克里姆林宮政治顧問帕夫洛夫斯基認為："俄羅斯與西方正在進行一場勇氣的較量。"
早在選舉前，俄與美歐就開始較量。格魯吉亞2003年11月發生的"玫瑰革命"，鼓舞了美國在獨聯體地區推行其民主價值觀的信心，同時為獨聯體各國領導人敲響了警鍾。美國和歐盟看中的則是親西方反對派人物尤先科。尤先科領導的"我們的烏克蘭"政黨聯盟在2002年議會選舉中成為第一大黨團，與美國的支持是分不開的。美歐拒不承認亞努科維奇，就是想以選舉舞弊為由，把尤先科扶上總統寶座。
俄羅斯動用了經濟、政治等各種辦法，力挺親俄的亞努科維奇上台。選舉結果公布前後，俄羅斯總統普京的特使、俄國家杜馬議長鮑里斯·格雷茲洛夫立刻對亞努科維奇的獲勝表示祝賀。俄羅斯總統普京也一改以往冷靜的做法,兩次向現總理亞努科維奇表示祝賀，一次打電話、一次發賀電，是第一位向亞努科維奇表示祝賀的外國國家元首。