Trong vụ án này, bị cáo Bùi Văn Công (sinh năm 1975), Vương Văn Hùng (sinh năm 1984), Phạm Văn Nhiệm (sinh năm 1976) kháng cáo toàn bộ bản án sơ thẩm, kêu oan “không phạm tội”. Bị cáo Vì Văn Toán (sinh năm 1982) kháng cáo, xin giảm nhẹ hình phạt cho án tử hình. Các bị cáo còn lại dù không kháng cáo song vẫn phải hầu toà do gia đình bị hại có đơn kháng cáo.
Sau một ngày xét hỏi, đối đáp và Viện Kiểm sát trình bày quan điểm, hội đồng xét xử quyết định bác toàn bộ kháng cáo kêu oan và xin giảm nhẹ hình phạt của 4 bị cáo, tòa cũng bác kháng cáo của gia đình bị hại cho rằng bỏ lọt tội phạm.
Hội đồng xét xử cho rằng, bản án sơ thẩm đã tuyên đúng người, đúng tội, đúng pháp luật. Do vậy, hội đồng xét xử tòa phúc thẩm tuyên phạt bị cáo Vì Văn Toán án tử hình về tội “Giết người”, 13 năm tù về tội “Bắt cóc nhằm chiếm đoạt tài sản”, tổng hợp hình phạt là tử hình. Phạt bị cáo Bùi Văn Công, kẻ khởi xướng hành vi sát hại nạn nhân án tử hình về tội “Giết người”, 14 năm tù về tội “Hiếp dâm”, 13 năm tù cho tội “Bắt cóc nhằm chiếm đoạt tài sản”, tổng hợp là tử hình.
Cùng phạm 3 tội trên, các bị cáo Vương Văn Hùng, Lường Văn Hùng, Lường Văn Lả, Phạm Văn Nhiệm cũng bị tuyên án tử hình.
Trong khi đó, bị cáo Phạm Văn Dũng, Cầm Văn Chương bị phạt lần lượt 10 năm và 9 năm tù về tội “Hiếp dâm”; Bùi Thị Kim Thu (vợ Công) án 3 năm tù về tội “Không tố giác tội phạm”. Toàn bộ 9 bị cáo phải bồi thường cho gia đình nạn nhân hơn 200 triệu đồng.
Bất ngờ sáng ngày 17-6, ông Cao Văn Hường (cha nạn nhân Cao Mỹ D.) bất ngờ thay đổi kháng cáo, cho hay đồng ý việc tử hình 6 bị cáo như án sơ thẩm đã nêu. Cha nạn nhân cũng đề nghị hoãn thi hành án tử hình 6 bị cáo để làm rõ hơn các tình tiết “ai là hung thủ thực sự”, nguồn cơn ở đâu?; đồng thời đề nghị khởi tố thêm bị cáo Bùi Kim Thu tội “Che giấu tội phạm”.
Trong bản án phúc thẩm, hội đồng xét xử nhận định, Vì Văn Toán là chủ mưu, cùng các đồng phạm khác gây ra hành vi phạm tội đặc biệt nghiêm trọng, gây mất trật tự trị an, gây hoang mang cho người dân. Đây là nhóm tội phạm có tổ chức, có sự phân công vai trò cụ thể dựa trên bản kế hoạch phạm tội bài bản.
Vì Văn Toán giữ vai trò chính, thúc đẩy tinh thần các bị cáo khác phạm tội khi hứa trả công bằng tiền và lên kế hoạch che giấu cảnh sát sau khi thực hiện hành vi phạm tội. Bùi Văn Công giúp sức tích cực nhất cho Toán khi chủ động tập hợp các bị cáo. Công trực tiếp sát hại nạn nhân.