Le oui est grand favori parmi les 4,3 millions de Danois appelés aux urnes, ayant progressé à plus de 65% d'intentions de vote dans le dernier sondage paru dimanche. Les bureaux de vote ont ouvert à 08h00 locales et fermeront à 20h00 pour des résultats attendus en fin de soirée mercredi vers 23h00.
A la mairie de Copenhague, les premiers votants s'affairaient déjà tôt dans la matinée pour déposer leur bulletin de vote. "L'Histoire change et cela nous affecte ici au Danemark, et bien évidemment nous devons réagir à cela", a indiqué à l'AFP Mads Adam, un étudiant en sciences politiques de 24 ans.
"Je pense que ce genre de vote est encore plus important aujourd'hui. En temps de guerre, il est évidemment important d'affirmer si l'on veut rejoindre ce type de communauté ou non", ajoute Molly Stensgaard, scénariste de 55 ans.
Prudence de mise
Mais la prudence reste de mise du fait de la forte abstention attendue, dans un pays habitué à dire "nej" (non) aux référendums sur l'Europe, le dernier en 2015.
"Je crois de tout mon coeur qu'il faut voter oui. Lorsque nous devons nous battre pour la sécurité de l'Europe, nous devons être plus unis avec nos voisins", a affirmé la Première Ministre Mette Frederiksen lors d'un dernier débat télévisé dimanche soir.
Etat membre depuis 1973, le Danemark avait tiré le premier coup de canon de l'euroscepticisme en rejetant à 50,7% en 1992 le traité de Maastricht, du jamais vu à l'époque.
Pour lever le blocage - qui menaçait l'entrée en vigueur du traité fondateur dans toute l'Union européenne -, Copenhague avait obtenu une série d'exceptions, baptisées "opt outs" (options de retrait) dans le jargon européen, et le pays avait finalement dit oui dans un nouveau scrutin l'année suivante.
Depuis, le Danemark est resté hors de l'euro - rejeté par un référendum en 2000 - mais aussi de la politique européenne en matière d'affaires intérieures et de justice - à nouveau rejetée par référendum en 2015 - ainsi que de défense.
En vertu de cette dernière exception, le pays scandinave - membre fondateur de l'Otan - n'a ainsi pu participer à aucune mission militaire de l'UE.
Jadis marginale, la politique de défense des 27 a pris de l'ampleur ces dernières années, même si des idées d'armée européenne font encore figure de repoussoir pour de nombreuses capitales.
Otan et UE
Deux semaines après l'invasion de l'Ukraine, la Première ministre danoise avait annoncé un accord avec la plupart des partis du Parlement pour soumettre la fin de l'exception à un référendum, ainsi que d'importants investissements militaires pour franchir la barre des 2% du PIB souhaités par l'Otan.
Onze partis sur 14 ont appelé à voter oui, représentant plus des trois quarts des sièges au Parlement.
Les deux formations d'extrême droite eurosceptique du parti du Peuple danois (DF) et des Nouveaux conservateurs, ainsi que la formation de gauche radicale de la Liste de l'Unité, militent eux pour le non.
Avec la candidature historique de la Suède et de la Finlande à l'alliance atlantique et le référendum danois, les trois pays nordiques pourraient prochainement cumuler politique européenne de défense et participation à l'Otan.
Territoires autonomes du Danemark, ni le Groenland - qui est déjà hors de l'UE - ni les îles Féroé ne sont concernés par le scrutin.
"Ce soir, le Danemark a envoyé un signal important. A nos alliés en Europe et l'Otan, et au (Président Vladimir) Poutine. Nous montrons que, quand Poutine envahit un pays libre et menace la stabilité en Europe, nous autres nous nous rassemblons", a déclaré la Première ministre Mette Frederiksen.