הוויכוח העיקרי בין התביעה לבין ההגנה לא עסק בהוכחה כי הרציחות בוצעו על ידי נילסן, אלא בנוגע למצבו הנפשי לפני ובמהלך הרציחות. התובע הראשי, , טען שנילסן היה שפוי ובשליטה מלאה על עצמו בזמן מעשיו, וכי ביצע את הרציחות מתוך כוונת תחילה. מנגד, טען הסנגור הראשי, , כי נילסן היה נתון תחת מצב הנקרא אחריות מופחתת, בו נמנעה ממנו היכולת השכלית לרקום כוונות כלשהן, ולפיכך עליו להיות מורשע בהריגה בלבד.
התביעה פתחה את המשפט בתיאור האירועים שהובילו למציאתם של חלקי הגופות בצנרת הבניין ולמעצרו של נילסן בחודש פברואר. לאחר מכן עסקה בשלושת הגופות המבותרות שנמצאו בדירתו, הקראת הודאתו המפורטת, הובלת חוקריו למקום בו שרף את קורבנותיו בגינתו, והמאמצים שנקט בכדי להסתיר את פשעיו. התובע סיים את נאום הפתיחה שלו במשפט שמסר נילסן לחוקריו כאשר נשאל מדוע חש צורך לרצוח; "ברגע המדויק של הרצח האמנתי כי אני צודק"; בכדי לחזק את עמדתו, הוסיף כי גם אם סבל נילסן באותה העת מהפרעה נפשית כזאת או אחרת, לא היה די בכך על מנת לפטור אותו מאחריותו עבור הרציחות.
עד התביעה הראשון היה דאגלס סטיוארט, אשר סיפר שבמהלך חודש נובמבר 1980 הוא נרדם על כיסא בדירתו של נילסן והתעורר לגלות את רגליו קשורות אליו, בעוד תוקפו חונק אותו עם עניבה ודוחק בחזהו עם ברכו. לאחר שהצליח להתגבר עליו צעק נילסן, "קח את הכסף שלי!"; לדעת התביעה הוכיח פרט זה את קור הרוח של נילסן, אשר פעל בכוונת תחילה בכדי להישמע בידי השכנים, כך שאם ייעצר יוכל לספר כי נשדד. לאחר שעזב סטיוארט את הדירה הגיש תלונה על שאירע במשטרה, אשר בתורה תיחקרה את נילסן; בשל פרטים סותרים שהתגלו בשתי העדויות, פטרה המשטרה את המקרה כמריבה בין אוהבים ושיחררה את נילסן לחופשי. במהלך החקירה הנגדית ניסתה ההגנה לפגוע באמינותו של סטיוארט והצביעה על חוסר העקביות שבעדותו, צריכת האלכוהול ששתה בזמן ההתרחשויות, וזיכרונו הסלקטיבי אשר הציג פרטים שונים בבית המשפט מאלו שחשף בפני ראיון שמכר לתקשורת.
בית המשפט שמע ב-25 באוקטובר את עדותם של שני עדים נוספים אשר שרדו את ניסיונותיו של נילסן לרצוח אותם. הראשון מביניהם, פול נובס, סיפק מידע אשר איפשר לתביעה להצביע על שליטתו העצמית של נילסן בזמן מעשיו, ועל יכולתו להימנע מדחפים רצחניים, אילו רק רצה בכך. נובס העיד כי התלווה לדירתו של נילסן עבור מין ואלכוהול, והתעורר בשעות הבוקר המוקדמות עם כאב ראש נוראי. לאחר ששטף את פניו בחדר השירותים, הבחין שעיניו היו שטופות דם ופרצופו אדום לחלוטין. כאשר ראה אותו נילסן אמר, "אלוהים! אתה נראה נורא!" והציע לו ללכת לרופא. נובס לא דיווח על התקרית למשטרה מפחד כי נטייתו המינית תיחשף. ההגנה ניסתה לסתור את טענת התביעה כי נילסן בחר רק בגברים חסרי בית שהיעלמותם לא תמשוך תשומת לב רבה כקורבנותיו, על ידי הצגת העובדה שנובס היה סטודנט באוניברסיטה ואילו היה נעלם לבטח היו מכריו או משפחתו מחפשים אחריו.
בתום עדותו של נובס עלה לעמדה קארל סטוטור וסיפר על כך שבחודש מאי 1982 ניסה נילסן לחנוק ולהטביע אותו, לפני שביצע בו החייאה. קולו רעד מהתרגשות כאשר תיאר כיצד נילסן הטביע אותו שוב ושוב על רקע קול תחינותיו, וכיצד התעורר מאוחר יותר וראה את כלבתו של נילסן, בליפ, מלקקת את פניו; השופט הרשה לעצור את מתן העדות מספר פעמים בכדי שסטוטור יוכל להירגע. הראיות שסיפק לא נכללו באישום המקורי שהוגש נגד נילסן מאחר שהתביעה לא הצליחה למצוא אותו בזמן.
בשלב זה הזמינה התביעה את פקד המשטרה פיטר ג'יי, אשר מסר את גרסתו בנוגע לנסיבות מעצרו של נילסן וההודאות שסיפק במהלך חקירתו, שלדבריו נאמרו ברוח רגועה ועניינית. לאחר מכן הקריא לבית המשפט מספר הצהרות שנידב נילסן לידי המשטרה לאחר מעצרו; באחת מהן אמר, "אין בעיניי דמעות עבור קורבנותיי, אין בעיניי דמעות עבור עצמי, וגם לא עבור אלו שסבלו כתוצאה ממעשיי"; ג'יי הודה שהיה זה משונה כי אדם אשר הואשם בפשעים כה מחרידים כמו נילסן ינדב מידע מפליל בכזאת קלות, והשיב בחיוב לעמדת ההגנה אשר הציעה כי לא רק שנילסן סיפק את רוב הראיות אשר נאספו נגדו, אלא גם עודד את מציאתן של ראיות נוספות אשר עשויות היו לסתור את גרסתו.
עם סיום עדותו של ג'יי, הקריא הפקד הבכיר צ'יימברס את וידויו הרשמי של נילסן בפני בית המשפט. עדות זו הכילה תיאור מפורט של האקטים המיניים והטקסים שנהג לבצע בגופות קורבנותיו, מגוון השיטות בהן השתמש בכדי לבתר את גופותיהם, המקומות בהם אחסן אותן, והבעיות השונות להן גרם ריקבונן. מספר מושבעים החלו לרעוד בזמן קריאת העדות, ואחרים הסתכלו על נילסן בספקנות בעודו הקשיב לנאמר בשוויון נפש. הקראת התמליל נמשכה עד הבוקר למחרת, אז הציגה התביעה מספר ראיות נוספות; ביניהן היו הסיר בו הרתיח נילסן את ראשיהם של שלושת קורבנותיו מגני קראנלי, קרש החיתוך עליו ביתר את גופתו של ג'ון האולט, ומספר סכינים אשר היו שייכים למרטין דאפי ונמצאו ברשותו.
שני פסיכיאטרים העידו במשפט לטובת ההגנה. הראשון מביניהם, ג'יימס מקקית', הסביר כיצד התייחסותו של נילסן כלפי בני אדם כאל לא יותר מאביזרים עבור הפנטזיות שלו נגרמה כתוצאה מכשל בהתפתחותו הרגשית, אשר הגבילה את יכולתו להביע רגשות לכעס בלבד. כמו כן תיאר את יחס ההקשר שיצר נילסן במחשבתו בין משיכתו לשיתוקם של שותפיו המיניים, חסרי הכרה או מתים, לבין עוררותו מינית; הוא ציין כי נילסן היה בעל תכונות אופי נרקיסיסטיות, סבל מתחושת זהות רעועה, ונכשל לתפוס את הסובבים אותו כבני אדם כמוהו. מסקנתו הסופית הייתה כי נילסן הראה סימנים רבים של חוסר הסתגלות התנהגותית, אשר בשילוב עם אבחנותיו הקודמות, ובתוך נפש אחת, הוכיחה את עצמה כדבר קטלני. גורמים אלו יכולים היו, לדבריו, להצביע על ממנה סבל. בתגובה לטענות הנגד של התביעה כי אבחנת הפרעת אישיות לא מזוהה העידה על חוסר החלטיות במסקנותיו, הסביר מקקית' כי הייתה הפרעה זו חמורה מספיק בכדי לבטל את אחריותו הפלילית של נילסן למעשיו.
הפסיכיאטר השני, פטריק גאלווי, אבחן את נילסן כסובל מהפרעת אישיות נרקיסיסטית גבולית, עם התקפים מזדמנים של התפרצויות סכיזואידיות עליהן הצליח לשלוט רוב הזמן. גאלווי הסביר כי במהלך התפרצויותיו הפכו תכונותיו הסכיזואידיות לדומיננטיות, וגרמו לו להתנהג באופן אלים ואימפולסיבי. כמו כן הוסיף כי חולים הסובלים מהתפרצויות דומות עשויים למצוא את עצמם במצבים של בידוד חברתי. לדבריו, לא ניתן היה לומר כי נילסן ביצע את מעשיו בכוונת תחילה. במהלך החקירה הנגדית התרכזה התביעה בהצגת הראיות אשר הצביעו על מודעותו של נילסן לפשעיו ויכולתו לקבל החלטות בזמן ביצועם. גאלווי הסכים שנילסן היה מודע למעשיו, אולם הדגיש כי בשל הפרעת האישיות ממנה סבל, לא העריך כראוי את טבעם של מעשיו ולא היה מסוגל להבין את האלמנט הפלילי שבהם.
בתום עדותם הזמינה התביעה ב-31 באוקטובר את הפסיכיאטר פול באודן, אשר ראיין את נילסן לאורך שישה עשר מפגשים שונים אשר נמשכו יותר מארבע עשרה שעות. באודן העיד במשך יומיים כי אף על פי שמצא את התנהגותו של נילסן חריגה ולא נורמלית, מסקנתו הסופית לגביו הייתה כי היה אדם מניפולטיבי המסוגל לקיים מערכות יחסים אשר הכריח את עצמו להחפיץ את בני האדם שהיו מעורבים בהן. באודן שלל את עדותם של מקקית' וגאלווי, ומסר כי לא מצא כל ראייה לבעיית הסתגלות התנהגותית או להפרעות נפשיות.
לאחר נאומי הסיום של שני הצדדים התכנס חבר המושבעים ב-3 בנובמבר בכדי לדון בפסק הדין. בית המשפט התכנס שוב למחרת והודיע כי נילסן נמצא אשם על ידי רוב המושבעים בגין שישה סעיפי רצח וסעיף ניסיון לרצח אחד, ואילו עבור ניסיון הרצח של נובס נמצא אשם בפה-אחד. השופט ג'ונסון גזר עליו מאסר עולם בהמלצה כי ייכלא לתקופה מינימלית של עשרים וחמש שנים.
מאסר.
עם הרשעתו הועבר נילסן לבית הסוהר וורמווד סקרבס. כאסיר בקטגוריה א' (אסירים בעלי סיכון גבוה הדורשים אבטחה גבוהה) הוא שוכן בתא פרטי, אך הורשה להסתובב עם האסירים האחרים. נילסן לא ביקש להגיש ערעור על גזר דינו וקיבל את דברי התביעה, קרי שהיה אחראי למעשיו וכי רצח בכוונת תחילה. מעבר לכך, ביום הרשעתו הרחיב ואמר כי הפיק סיפוק נהדר מאומנות הפיתוי, מרכישת חבריו הנצחיים, מביתור הגופות וסילוק שאריותיהן, ומרגעי הקיצון בהם גמר אומר בדעתו לרצוח אותם. בנוסף טען כי מנהגו לשתות לשוכרה היה הסיבה היחידה לכך שלפחות שניים מקורבנותיו הצליחו להימלט.
בסוף השנה הותקף נילסן בידי אסיר בשם אלברט מופאט, אשר חתך אותו בפניו ובחזהו וגרם לו לפציעות שדרשו שמונים ותשע תפרים. לאחר מכן הועבר לבית הסוהר פארקהורסט לתקופה קצרה, וכעבור זמן מה נשלח לבית הסוהר וייקפילד, שם נותר עד לשנת 1990. נילסן הועבר ליחידת מאסר התנדבותית בבית הסוהר פול סוטון בשנת 1991 בשל חשש לבטיחותו, שם נותר במשך שנתיים, עד שהועבר לבית הסוהר וויטמור, שוב כאסיר בקטגוריה א', ובבידוד מוגבר משאר האסירים.
תקופת המאסר המינימלית של עשרים וחמש שנים עליה המליץ השופט ג'ונסון במשפטו בוטלה ב-1994 על ידי מזכיר הפנים מייקל הווארד, והוחלפה במאסר עולם ללא אפשרות לשחרור מוקדם. החלטה זו הבטיחה כי נילסן לעולם לא יהיה שוב אדם חופשי, עונש איתו השלים.
נילסן הועבר חזרה לבית הסוהר פול סוטון ב-2003; הוא בילה את זמנו בתרגום ספרים לכתב ברייל בסדנת העבודה של הכלא, ונהג לקרוא ספרים רבים ולכתוב. כמו כן הורשה לצייר ולהלחין מוזיקה באמצעות מקלדת. לעיתים שלח מכתבים למכריו. הוא נותר בבית הסוהר פול סוטון עד למותו ב-12 במאי 2018.
מורשת.