หลังจากสมาชิกรัฐสภาอภิปรายครบถ้วนทุกคนแล้ว ที่ประชุมจึงเริ่มโหวตลงมติเลือกนายกรัฐมนตรี โดยการขานชื่อสมาชิกรัฐสภาเป็นรายบุคคลเรียงลำดับตามตัวอักษร โดยมีสมาชิกขานชื่อโหวตทั้งหมด 747 คน
นายชวน หลีกภัย ประธานสภาผู้แทนราษฎร เสนอให้เลขาธิการสภาผู้แทนราษฎรเป็นผู้ขานชื่อสมาชิกเพียงคนเดียว ผลการโหวตลงมติปรากฏว่า พล.อ.ประยุทธ์ จันทร์โอชา ได้คะแนน 500 เสียง เกินกึ่งหนึ่งจากสมาชิกทั้งสองสภา ทำให้ พล.อ.ประยุทธ์ ได้รับเลือกเป็นนายกรัฐมนตรี
ส่วน นายธนาธร จึงรุ่งเรืองกิจ ส.ส.บัญชีรายชื่อ พรรคอนาคตใหม่ ได้ 244 เสียง งดออกเสียง 3 คะแนน ก่อนที่นายชวน จะสั่งปิดการประชุมในเวลา 23.52 น.ใช้เวลาการประชุมร่วม 13 ชั่วโมง
ผลการลงมติมี ส.ส.พรรคประชาธิปัตย์ 52 คน ต่างลงมติไปในทางเดียวกัน โดยสนับสนุน พล.อ.ประยุทธ์ ยกเว้นนายชวน ที่งดออกเสียง ขณะที่พรรคภูมิใจไทยมี ส.ส. 51 เสียง ต่างเทเสียงสนับสนุน พล.อ.ประยุทธ์ ทั้งหมด มีเพียง นายสิริพงศ์ อังคสกุลเกียรติ ส.ส.ศรีสะเกษ คนเดียวที่งดออกเสียง
นายอนุทิน ชาญวีรกูล หัวหน้าพรรคภูมิใจไทย และส.ส. บัญชีรายชื่อกล่าวถึงกรณีที่นายศิริพงษ์ อังคสกุลเกียรติ ส.ส.ศรีษะเกษ พรรคภูมิใจไทย งดออกเสียง เสียงแตกหรือไม่ว่า เสียงไม่แตก เพราะมีเพียงคนเดียว หลังจากนี้คงจะมีการพูดคุยกัน เบื้องต้นถือเป็นเอกสิทธิ์ของส.ส. นายศิริพงษ์ ขอโทษแล้ว เราก็ต้องให้เกียรติ เพราะจะให้คิดเหมือน 50 คน คงจะไม่ได้ ส่วนจะมีบทลงโทษอะไรหรือไม่ ขึ้นอยู่กับหัวหน้าพรรค และคิดว่าเป็นความสวยงาม ถือว่าเราไม่ได้บีบบังคับใครทุกคนสามารถใช้วิจารณญาณของตนเองได้
“ยอมรับว่าไม่ทราบมาก่อน อาจจะเป็นความประมาทของผม นายศิริพงษ์ น่าจะคิดปุ๊บปั๊บขณะนั้นเลย”นายอนุทิน กล่าว
ผู้สื่อข่าวถามว่า ลูกพรรคจะใช้วิธีการแบบนี้อีกได้หรือไม่ นายอนุทินกล่าวว่า “ก็ลองดูสิ” ยอมรับว่า ในฐานะหัวหน้าพรรคก็สะอึกนิดหน่อย หลังจากนี้คงต้องระวังให้มาก
เมื่อถามว่า เป็นเพราะนายศิริพงษ์ เกรงว่า จะตอบคำถามในพื้นที่ไม่ได้ นายอนุทิน กล่าวว่า สงสัยจะเป็นเช่นนั้น นายศิริพงษ์อาจจะเครียด ยืนยันไม่กระทบโควตา รัฐมนตรีของพรรค เพราะนิ่งแล้ว การงดออกเสียง 1 เสียง ก็เหมือนพรรคประชาธิปัตย์ที่หายไป 1 เสียง ที่นายอภิสิทธิ์ลาออก
