12 המושבעים כללו שמונה איכרים חסרי השכלה כלשהי, שלושה פקידים ובעל אחוזה קטנה. זקן המושבעים היה הפקיד הגבוה מבין השלושה ובעל השכלה של בית ספר יסודי בלבד. בזיכרונותיו, כתב בייליס על התרשמותו מהם בהופעתם הראשונה בבית המשפט: "בראותי את הפרצופים של 12 המושבעים ה'מוז'יקים' (איכרים פשוטים), שבידיהם הופקד גורלי... חשבתי בלבי, שאפסה כל תקווה!... שהרי מדובר ביהודים, שהשנאה כלפיהם נפוצה בקרב ההמון הפשוט". בוועדת החקירה ב-1917, נתברר מתוך מסמכים סודיים שנתגלו, כי טרם בחירת חבר המושבעים, עקבה חוליה של שירות הביטחון אחרי המועמדים ובלשיה דובבו אותם לגבי נטייתם להאמין בקיומו של פולחן הכולל שימוש בדם נוצרי. עם פתיחת המשפט צורפו לשמשים של בית המשפט שני שוטרים מוסווים כשמשים, שתפקידם היה לצותת לשיחות המושבעים ולדווח עליהן, כדי שהתביעה תוכל להתאים את פעולתה בהתאם להלך הרוח שלהם.
ביום השני הקריא השופט ויגורה במשך שעתיים וחצי את כתב האישום:
בייליס כפר באשמה, וסנגוריו ביקשו וקיבלו את הרשות לקיים עמו, לראשונה, שיחות ביחידות.
העדויות.
למשפט הוזמנו כמאתיים עדים. ב-20 ימי הדיונים הראשונים נשמעו העדים הרגילים ורק לאחר מכן נשמעו העדים המומחים.
הזוג שאכובסקי ואנה "הלביאה".
העדים הראשונים היו קזימיר ויוליאנה שאכובסקי ושניהם חזרו בהם במשפט מעדותם בפני השופט החוקר. קזימיר הודה עתה כי ז'ניה צ'בריאק לא סיפר לו שהאיש שגירש אותם היה "אדם בעל זקן שחור" והודיע כי גם הוא עצמו וגם ז'ניה הכירו את בייליס באופן אישי. הוא סיפר שנאלץ להעיד שבייליס חטף את יושצ'ינסקי תחת איומים ומכות מצד אנשים שסירב לזהות וגם תחת לחץ אנשי הבולשת. כמו כן, הכחיש שאמר לסנדלר נקוניצ'קני שבכוונתו להתנקם בבייליס. יוליאנה טענה במשפט כי אינה זוכרת כלל את תוכן שיחתה עם אנה "וולקיוונה" ולבסוף סיפרה כי אנשי הבולשת הדריכו אותה להעיד כי בייליס סחב את אנדריי. גם הנער קליוז'ני, שהיה עוזרו של שאכובסקי בעבודתו, התכחש עתה לעדותו בפני השופט החוקר, על פיה שמע את שיחתן של השתיים, וטען עתה כי וולקיוונה לא אמרה דבר על בייליס. הוא סיפר שאיש הבולשת הדריך אותו להצהיר זאת בפני השופט החוקר אך הוא כלל לא אמר לו את הדברים. אנה "וולקיוונה", שבעדותה לשופט החוקר סיפרה שראתה את בייליס סוחב את אנדריי למשרפת בית החרושת, לא זיהתה אותו בבית המשפט. לשאלת הקטגור אם היא מכירה את האדם היושב בתא הנאשמים, השיבה: "מניין לי להכיר אותו? הוא דומה ליהודי". לאחר מכן הכחישה בכלל שאמרה בעדותה הקודמת כי ראתה אותו סוחב את אנדריי וטענה כי יוליאנה שיקרה בדבריה. במהלך עימות פנים אל פנים, פרץ בין השתיים ויכוח שכלל צעקות וגידופים. באותו יום מסר כתב הטיימס של לונדון טלגרף לעיתונו: "בנסיבות אלו, אין זה סביר שהממשל ירשה להמשיך בהליכי המשפט המבחיל הזה!". אלא שעל אף התכחשותה של וולקיוונה לעדותה הקודמת, השתמש בה הקטגור בנאום הסיכום שלו וטען כי בבית המשפט כפו עליה לשנות אותה.
גולובב, קראסובסקי ופולישצ'וק.
הסטודנט גולובב העיד כי ז'ניה סיפר לו שבבוקר 12 במרץ, הגיע לביתו אנדריי, השניים יצאו לטייל, קנו אבק שרפה בחנות וחזרו לביתו. לאחר מכן עזב אנדריי את הבית והשאיר שם את מעילו. גם החוקר קראסובסקי העיד כי שמע מז'ניה שהוא וחברו אהבו לשחק באבק שרפה, ואכן, בחיפוש שנערך בבית צ'בריאק נמצאה קופסה מלאה באבק שרפה. עוד סיפר קראסובסקי, כי מאחר שהתעקשות הוריו של ז'ניה להוציאו מבית החולים בזמן שהיה בסכנת חיים נראתה בעיניו חשודה, הטיל על בלשי המשטרה ויגראנוב ופולישצ'וק להישאר ליד מיטתו בביתו במשך כל שעות היממה. שני הבלשים נשארו שם עד מותו. לשאלתו של הסנגור גרוזנברג, אישר פולישצ'וק כי ורה צ'בריאק אמרה לבנה "ספר להם ילדי, כי לאמך אין כל חלק בכל העניין הזה", וסיפר עוד כי ממש ברגעי חייו האחרונים ביקש ז'ניה ללחוש משהו באוזני הכומר ששהה לצדו, כאילו רצה לספר משהו, אולם אמו, שהבחינה בכך, הסתערה עליו בנשיקות על פיו, עד שנפטר. פולישצ'וק אמר כי לדעתו ידע ז'ניה מי הרוצח, אולם ציוו עליו שלא יספר. לשאלת התובע שמאקוב, מאיזו סיבה מת ז'ניה, השיב פולישצ'וק, כי לדעתו הוא מת מהעוגיות שנתן לו קראסובסקי.
עדויות הילדים.
העדויות של ז'ניה צ'בריאק עצמו הוקראו בבית המשפט כפי שנגבו מפיו. בהצהרתו הראשונה סיפר כי אנדריי הגיע אליו בצהריים, אך יצא משם לטייל לבדו. בהצהרתו השנייה סיפר כי אנדריי הגיע אל ביתו, יצא משם לחפש אבק שרפה ואז חזר, וכי באותו ערב שמע מתיאודור ניז'ינסקי, אחד מאנשי חבורתה של אמו, שהיה שיכור ומלוכלך בטיט, כי "אנדריושה איננו עוד בחיים", וסיפר על כך לאמו. בהצהרתו השלישית טען כי ב-12 במרץ אנדריי כלל לא הגיע אליו וכי הם לא נכנסו מעולם לאותה מערה שבה נמצאה גופתו. אביו של ז'ניה, וסילי צ'בריאק, חזר על העדות שמסר לשופט החוקר, אך הוסיף כי מספר ימים לאחר ששמע מז'ניה על כך שבייליס תפס את אנדריי, שמע ממנו עוד כי יחד עם בייליס רדפו אחר הילדים גם שני יהודים ב"תלבושת בלתי רגילה", כזו שנוהגים ללבוש יהודים מתפללים. לשאלת גרוזנברג, מדוע רק עכשיו נזכר לספר על "שני הרבנים", השיב כי בזמן עדותו בפני השופט החוקר, נמצא היה במתח רב עקב מות ילדיו ולכן לא זכר היטב את פרטי הסיפור של בנו.
בפני בית הדין הופיעו תשעה ילדים בתור עדים, ובהם גם לודמילה צ'בריאק בת ה-10, שחזרה באופן רהוט על עדותה בחקירה, אולם הפעם טענה כי גם על עצם סחיבתו של אנדריי על ידי בייליס שמעה מפי אחותה הקטנה. לודמילה נשאלה אם תוכל לזהות את "שני היהודים" שהיו יחד עם בייליס והיא השיבה בחיוב. הקטגור ביקש מפייבל שניאורסון, שבחקירה המוקדמת נקשר כביכול לרצח, להתקרב אל העדה. לשאלתו אם היה שניאורסון בין האנשים שגירשו את הילדים מהחצר, השיבה כי איננה זוכרת. לדוכן העדים הועלתה הילדה יבדוקיה נקונייצ'נאיה, שעל פי עדותה של לודמילה, הייתה בין הילדים ששיחקו עמה בחצר בית החרושת. הילדה אישרה שהם שיחקו שם באותו בוקר, אולם הכחישה את הסיפור שבייליס גירש אותם, וכאשר לודמילה חזרה על טענתה כי בייליס אכן גירש אותם, הגיבה נקונייצ'נאיה בקול רם: "קודם תזכרי טוב, ואחר־כך תשקרי!". לודמילה פרצה בבכי ואמרה כי היא מפחדת, משום שהחוקר פולישצ'וק איים עליה שלא תחייה זמן רב אם תדבר נגד בייליס. השניים עומתו, לודמילה דבקה בטענתה ואילו פולישצ'וק הכחיש את ההאשמה. הסנדלר מיכאיל נקונייצ'ני, אביה של יבדוקיה, העיד כי בתו לא סיפרה לו על כך שאנדריי נחטף על ידי בייליס וטען: "אילו בייליס היה אמנם חוטף את יושצ'ינסקי, היו יודעים על כך, תוך שעה, בכל השכונה". עדותו של הסנדלר צוינה בעיתונות כמכרעת לזכותו של בייליס. הילדה יבגניה וולושצ'נקו סיפרה כי ז'ניה אמנם אמר לה שהם שיחקו בחצר בית החרושת, אך לא אמר לה שהם גורשו משם. אחותה הקטנה סיפרה שלפעמים היו מגרשים אותם משם, אולם בייליס עצמו לא גירש אותם מעולם.
בחצר בית החרושת עמדה בזמן המשפט גדר בגובה שני מטרים לפחות, ומספר עדים העידו כי היא הוקמה עוד בשנת 1910, ומאז לא יכלו ולא נכנסו ילדים לחצר.
מכתבי בייליס לאשתו מבית הסוהר.
במהלך המשפט, הוקרא פתק שכתב בייליס לאשתו מהכלא: "אשתי היקרה... מה נשמע בעולם החופשי? עד מתי אסבול על לא חמס בכפי? האם משתדל מישהו לטובתי, או לא?". פתק זה הגיע אל אשתו וגם תשובתה הוקראה: "אישי היקר לי... אל תדאג, יתן ה', ואתה תצא לחופשי. ה' יודע את האמת, שאתה חף מפשע... היה שלום. אשתך, אסתר". קודם לכן הוקרא גם פתק שני שכתב לה, ב-22 בנובמבר 1911:
תוכן הפתק הזה היה כלול בעדותו של האסיר קזצ'נקו, שמסר אותו לשופט החוקר וטען כי בייליס הבטיח לו תשלום עבור הרעלת עדים. קזצ'נקו ריצה עונש מאסר בסיביר על מעשה שוד ולא הופיע במשפט. הסנגוריה לא ידעה שהוא הודה בפני איוואנוב כי בדה את הסיפור ודרשה להביאו להעיד, אולם בית הדין לא נענה לדרישה והעדות שמסר בחקירה הוקראה מן הכתב. הפתק נכתב בכתב־ידו של אסיר אחר, אולם היה חתום על ידי בייליס, שגם הוסיף לו הערה: "אני, מנדל בייליס, מעיד כי אין לפחד מפני האיש הזה, וכי אפשר לסמוך עליו כמו על עצמי". בייליס עצמו נקרא להעיד והכחיש בתוקף את כל התוספת הבדויה בעל פה של קזצ'נקו באשר להרעלת עדים. עדותו של פוכאלסקי, האסיר שכתב עבור בייליס את הפתק, הוקראה בהיעדרו מן הכתב. הוא העיד כי מעולם לא שמע ממנו דבר בנוגע להרעלת עדים. גם האסיר קוצ'ראבי, שהובא מבית הסוהר, העיד כי בייליס לא ביקש מקזצ'נקו להרעיל עדים. מפקח בית הסוהר, קרופסקי, הצהיר כי קזצ'נקו היה משוּכּן בבית הסוהר בחדר מיוחד שנועד להשתלת אסירים מדובבים. סינאייב, פועל לשעבר בבית החרושת של זייצב, העיד כי פגש את קזצ'נקו לאחר שיצא מבית הסוהר וזה התפאר בפניו: "אני אביא עלילה (בוּנט) על היהודים".
ורה צ'בריאק.