El escrutinio, impulsado por el presidente kurdo Masud Barzani, se celebra en la región autónoma del Kurdistán (norte de Irak), que incluye las provincias de Erbil, Solimaina y Duhok, así como en las zonas que se disputan los kurdos y el gobierno central iraquí.
La consulta supone un desafío para el primer ministro iraquí, Haider al Abadi, que dijo que tomaría "las medidas necesarias" para preservar la unidad del país.
Países vecinos como Turquía e Irán, preocupados por si sus minorías kurdas siguen el mismo ejemplo, también amenazaron con represalias.
A petición de Irak, Irán decidió prohibir los vuelos hacia el Kurdistán iraquí. Por su parte Turquía admitió haber reforzado los controles fronterizos con Irak por el referéndum pero negó haber cerrado el paso fronterizo de Habur, como afirmaron varios medios.
El gobierno iraquí pidió también a sus socios que sólo traten con Bagdad en las transacciones petroleras.
Kurdistán produce una media de 600.000 barriles al día, de los que 550.000 se exportan a través de Turquía.
Los colegios electorales estarán abiertos hasta las 18H00 (15H00 GMT) para permitir votar a los 5.375.000 inscritos.
En Solimaina, la segunda ciudad de Kurdistán, Diyar Omar, un empleado de 40 años, vino a votar con el tradicional vestido kurdo.
"Vamos a obtener nuestra independencia por las urnas y estoy muy contento de ser el primer votante" afirmó al llegar al colegio. "Estoy muy contento de poder participar en vida en este voto de independencia", dijo.
En Erbil, ante el principal puesto de votación, degollaron a una vaca ante una cola de votantes con vestidos tradicionales.
"Traje esta vaca porque hoy es el nacimiento de un Estado, y es tradición degollar a una vaca cuando hay nacimientos", asegura Dalgach Abdallah, un abogado de 27 años.
"He venido muy temprano para ser el primer en votar por el Estado kurdo. Hoy es una fiesta, por eso llevo un vestido tradicional que me compré para la ocasión", dijo Diyar Aboubakr, un jornalero de 33 años .
Según la agencia kurda Rudaw, Masud Barzani, sonriente y con el vestido tradicional, votó temprano.
- Más de 10.000 centros electorales -
En total hay instalados 12.072 centros electorales en la región autónoma del Kurdistán y en otras zonas que se disputan los kurdos y el gobierno central iraquí.
En la rica provincia petrolera de Kirkuk y en la de Nínive, en el norte de Irak, así como en las de Diyala y de Saladino, al norte de Bagdad, más de dos millones de electores están llamados a votar en 4.869 centros electorales, según la comisión electoral.
En Kirkuk, las mezquitas lanzaron llamamientos a votar.
Los primeros resultados serán anunciados 24 horas después del escrutinio pero no hay duda de que ganará el sí.
Los kurdos, divididos entre Irak, Siria, Irán y Turquía, nunca aceptaron el tratado de Lausana de 1923 que les dejó sin un estado independiente.
El presidente kurdo Masud Barzani dijo el domingo que sería inflexible.
"La asociación con Bagdad ha fracasado y no la retomaremos. Hemos llegado a la convicción que la independencia permitirá no repetir las tragedias del pasado", dijo con tono firme.
"Nos esperamos a reacciones de un lado o de otro pero hemos llegado a la convicción que, cual sea sea el riego y el precio, es mejor que esperar un destino sombrío", añadió.
Según él sin embargo el "sí" sólo sería el inicio de un "largo proceso" hacia la independencia y que estaba dispuesto a negociar con Bagdad en las fronteras de su estado.
Desde Bagdad, el primer ministro iraquí rechazó la separación en un discurso solemne.
"Tomar una decisión unilateral que afecta a la unidad de Irak y a su seguridad así como a la seguridad de la región con un referéndum de separación está en contra de la Constitución y la paz civil", insistió.
