EU:s ordförande Herman Van Rompuy sade efter toppmötets slut att unionens stats- och regeringschefer beslutat om att suspendera förhandlingarna.
EU-ländernas ledare anser vidare att beslutet i Krim om att ansluta sig till Ryssland är illegalt.
Sanktioner
Enligt Polens premiärminister Donald Tusk var diskussionen mellan EU-ledarna stormig om eventuellt sanktioner mot Ryssland. EU-ledarna har bestämt sig för en trestegsraket.
Förhandlingar om visumlättnader och ett bilateralt avtal med Ryssland avbryts genast, därefter uppmanas Ryssland och Ukraina att inleda samtal inom de närmaste dagarna och de måste också presentera ett resultat snart.
Gör de inte det kommer EU att införa reseförbud och frysa tillgångar för ansvariga personer, rapporterar TT:s utsända i Bryssel.
– Som ett tredje steg, om detta inte går och Ryssland ytterligare destabiliserar situationen, kommer det att påverka relationen mellan EU och Ryssland inom ett stort antal ekonomiska områden, på ett högst påtagligt sätt, säger Reinfeldt på en pressträff efter mötet.
USA:s beslut påverkade diskussionerna
USA:s beslut att införa reseförbud och att frysa tillgångar för ett antal personer påverkade EU-ledarnas diskussioner, enligt Reinfeldt.
– Än viktigare var att Krim ger besked om en folkomröstning, säger Reinfeldt, som tycker att det är helt oacceptabelt ur demokratiska synpunkter att hålla den så snabbt.
EU-ledarna preciserar inte vilka ekonomiska sanktioner som kan bli aktuella om det tredje steget i raketen avfyras.
– För att kunna gå vidare med det måste vi återsamlas och fylla det med innehåll, säger Reinfeldt.
Associationsavtal ska slutas
EU kommer att ingå ett associationsavtal med Ukraina – innan landet går till val den 25 maj. Det bekräftade EU:s ordförande Herman Van Rompuy efter toppmötet i Bryssel, rapporterar nyhetsbyrån AFP.
– Vi beslutade efter prioriteringar att väldigt snart underteckna de politiska delarna av överenskommelsen, sade han.
Närmandet till EU är en viktig fråga för den nya ledningen i Kiev. Protesterna mot Ukrainas avsatte president Viktor Janukovytj inleddes just efter att Janukovytj plötsligt avbröt förhandlingarna med EU om ett associationsavtal – och därefter vände sig till Ryssland för ekonomiskt stöd.