Begäran gjordes i en gemensam framställan till Putin på måndagen.
– Vi ber dig att erkänna Folkrepubliken Luhansks suveränitet och oberoende, sade separatistledaren Leonid Pasetjnik i en inspelning som spelats upp i rysk statlig tv.
Separatistledaren för Donetsk gjorde ett liknande framträdande.
På kvällen skrev sedan Putin under dokumenten om att Donetsk och Luhansk erkänns som självständiga.
Dessutom har Putin beordrat försvarsdepartementet att rysk militär ska genomföra vad som kallas fredsbevarande insatser i Donetsk och Luhansk.
Ryska duman uppmanade också nyligen Putin att erkänna utbrytarområdena.