Under kvällen hade bland annat Renato Brunetta, ledare i parlamentet för Silvio Berlusconis parti Forza Italia, och Matteo Salvini, ledare för partiet Lega Nord, krävt hans avgång.
Omröstning om Renzi
Mitten-vänster-politikern Renzi hade också inför folkomröstningen själv sagt att han skulle avgå från sin post om han förlorade, vilket gjorde att debatten handlat mycket om honom själv.
Tidiga resultat visar att nej-sidan – som letts av populistiska Femstjärnerörelsen – vunnit med 59,5 procent, enligt AFP. Nära 70 procent av italienarna röstade.
Renzi kommer att i eftermiddag lämna in sin avskedsansökan till president Sergio Mattarella, sade han i talet.
Mattarella kommer därefter, om han inte hittar någon som kan bilda en ny regering, att utlysa nyval.
Renzi och folkomröstningen
- Matteo Renzi är ledare för Demokratiska partiet i Italien, som räknas som ett mitten-vänsterparti. Han tillträdde som premiärminister 2014 och var tidigare borgmästare i Florens.
- Renzi har inför folkomröstningen ansett att en ändring av konstitutionen är nödvändig för att kunna genomföra de reformer som krävs för att strukturera om i Italiens skuldtyngda ekonomi.
- Han har bland annat föreslagit att senatens lagstiftande makt slopas, vilket skulle förenkla beslutsfattandet i landet, som i dag tenderar att kastas fram och tillbaka mellan kongressens två kamrar. Kritiker anser att reformen skulle ge premiärministern för stor makt. Men eftersom själva reformen var komplicerad och svår att förklara, blev folkomröstningen också en fråga om man är för eller emot Renzi.?