ויפר אמר כי לדעת הקטגוריה הרצח בוצע באורוות הסוסים שבחצר בית החרושת, אלא שהמקום הסמוך לאורווה, בו נאסף טיט לבדיקה, סויד לפני שהגיע לשם קראסובסקי והאורווה עצמה נשרפה שלושה ימים לפני שהגיע אליה השופט החוקר, וכל זאת נעשה כדי למחוק את עקבות הרצח. דברים אלה נאמרו על אף שפועל בבית החרושת העיד כי השריפה פרצה רק באוקטובר 1911 (ארבעה חודשים לאחר מעצר בייליס) ועל אף שבמשפט שהתקיים לגבי השריפה, נקבע כי לא הייתה הצתה בזדון. גם חברת הביטוח אישרה זאת, אולם אב בית הדין סירב לפרסם את תעודת הביטוח. שמאקוב טען כי חצר בית החרושת של זייצב משמש "קן של חסידים" וכי הפועלים הרוסים העובדים בו, שהעידו במשפט, שוחדו על ידי היהודים. קרבצ'בסקי השיב כי כתב האישום קבע שהרצח בוצע במשרפת הלבנים והביע פליאה כיצד עבר פתאום ביצוע הרצח לאורווה. הוא טען כי האשמה חדשה זו הופכת את קודמותיה להשערות בלבד, והאשים את הקטגוריה בניסיון הטעייה: מיקום ביצוע הרצח באורווה, רק משום שהיא נשרפה לפני שנערך שם חיפוש. מאוחר יותר נתברר כי בחצר הבית של ורה צ'בריאק היה מחסן שרצפתו מטיט.
התובע זמיסלובסקי טען כי ורה צ'בריאק סימנה לבנה לשתוק, לא מתוך חשש שמא יקשור אותה לרצח, אלא שמא ילשינו היהודים מבית החרושת על פשעיה האחרים, כנקמה על עדותו של בנה.
הסנגור מקלאקוב ביטל את טענתה של ורה צ'בריאק, שהובטח לה שתזוכה במשפט אם תפליל את עצמה ברצח, ותהה כיצד אמור היה חבר המושבעים לזכות אותה אם הייתה מודה באשמה. גרוזנברג ציין כי על אף הודאתם של סינגאייבסקי ורודזינסקי בפריצה לחנות, שאמורה הייתה לספק להם אליבי, הוחלט להפסיק את החקירה נגדם בנימוק שהודאתם אינה אמינה. החלטה זו של המוסדות המשפטיים המוסמכים, ובהם התובע הכללי ובית הדין המחוזי, עמדה בסתירה לטענת האליבי של בא-כח התביעה, שהוא בעצמו חלק בלתי נפרד מאותה מערכת משפטית.
הסנגור גרוזנברג תיאר את השתלשלות מעשה הרצח, כפי ראותו: כשחזרו ז'ניה ואנדריי מטיול הבוקר שלהם לביתו של ז'ניה, נמצאו שם שלושת חבריה של אמו. הם התנפלו עליו בזעם על שאיים להלשין, חבטו בו ודקרו אותו במרצע שהיה בהישג ידם. אחת המכות הראשונות ניתכה על הקודקוד וגרמה לשטף דם חזק והנער איבד את הכרתו. כאשר החל לזוז, החלו לדקור אותו במרצע עד שמת. עם רדת החשיכה העבירו את גופתו למרתף או לרפת ומאוחר יותר בלילה העבירו אותה למערה. שמאקוב טען בתגובה, כי אילו רצתה החבורה לרצוח את הנער, הייתה מזמינה אותו אליה ולא ממתינה עד שיבקר, ומלבד זאת, "אדם רוסי" אינו מסוגל לדקור 47 פעמים את קורבנו. הוא טען כי ההפסקה שארכה בין 5 ל-7 דקות בין גרימת הפצעים הראשונים לאחרונים, נועדה לאיסוף הדם, וכי לצורך הקזתו, לא נזקקו הרוצחים ללימודי אנטומיה בבית ספר לרפואה, מכיוון שהם למדו זאת מהתלמוד בישיבה. אלא שלאחר מכן שינו זמיסלובסקי ושמאקוב את עמדתם והודו באפשרות השתתפותה של ורה צ'בריאק ברצח.
מחאות נגד עלילת הדם במהלך המשפט.
המחנה הליברלי ברוסיה ועיתוניו התייצבו בגלוי נגד העלילה ונותרו עקביים בכך לאורך כל המשפט. מחנה זה כלל גם את הרוב המכריע של אנשי הרוח ואנשי המדע, ואת אגודת עורכי הדין ואיגוד הרופאים. במהלך המשפט התקיימו בערים הגדולות ברוסיה אסיפות מחאה נגד עלילת הדם, במפעלים, באוניברסיטאות ובחוגים פוליטיים שונים. אסיפות המוניות כאלו נערכו גם בווינה, בפריז, בלונדון ובלידס והשתתפו בהן נציגי הכנסייה, אנשי רוח ומדינאים. באספה המונית באנטוורפן, נאם מזכיר האינטרנציונל הסוציאליסטי, קמיל הויסמנס, והארגון עצמו שלח לכל המפלגות הקשורות בו חומר הסברה על המשפט. סיעת הלייבור בפרלמנט הבריטי ביקשה בפומבי משר החוץ, שיודיע לממשלת רוסיה כי המשפט גורם לעלבון לעם הבריטי. מספר בישופים חשובים באירופה גינו את עלילת הדם.
בארץ ישראל התייחס לפרשה באוקטובר 1913 העיתון הערבי היפואי "פלסטין" ודחה באופן חד-משמעי את האפשרות שעלילת הדם אמיתית.
אף על פי כן, ברוסיה נמשך במקביל מסע ההסתה כנגד היהודים. במהלך המשפט הטילו השלטונות עונשים על מספר עיתונים, בשל פרסום התקפות על רוקמי העלילה. שלושה עיתונים נסגרו והוטלו מעל 40 קנסות על עיתונים שונים.
באספה השנתית של עורכי הדין בסנקט פטרסבורג נתקבלה החלטה לשלוח ברכה לסנגוריה. הסופר ליאוניד אנדרייב כתב מכתב עידוד לסנגור מקלאקוב. הסופר מיכאיל ארציבשב כתב: "האשמה שהוטלה על היהודים היא כה טיפשית, עד שחרפה היא אפילו לדבר אודותיה". הסופר אלכסנדר אמפיתיאטרוב כתב: "פרשת בייליס אינה אלא סטירת־לחי מחרישת אזניים על פרצופה של הציביליזאציה הרוסית". ערב מתן פסק הדין, כתב הסופר ולדימיר קורולנקו: "ה'ריטואליסטים' סומכים על הכרתם ה'חשוכה' של המושבעים, בני־העם הפשוטים; אך נדמה לי, כי יטעו גם בחשבון זה".
פסק הדין.
בתום נאומי הסיכום של התביעה וההגנה, פנה בייליס, בהתאם לנוהל, אל חבר המושבעים: "חף מפשע אני! יש לי הרבה מה לומר כדי להוכיח את צדקתי, אבל עייף אני: אין לי כח לדבר... אני מבקש אתכם לזכות אותי כי אינני אשם. תנו לי את האפשרות לראות את אשתי ואת ילדי האומללים, שלא ראיתי אותם מזה שנתיים וחצי!". בית הדין היה אמור להציג בפני חבר המושבעים את השאלה אם הנאשם אשם או לא, ואלה, על פי החוק, אמורים להשיב על השאלה המוצגת רק "כן" או "לא". אלא שבעקבות דרישתו של התובע זמיסלובסקי, החליט אב בית הדין, בתום משא ומתן, להציג שתי שאלות נפרדות, שקיצורן:
לפני צאתם של המושבעים להתיעצות, נשא אב בית הדין נאום סיכום מוטה מאוד לצד הקטגוריה. גרוזנברג ביקש שיתקן את נאומו ודרש להחזיר את המושבעים לאולם. אב בית הדין נענה תחילה לבקשה, אולם התביעה דרשה שלא להפסיק את התייעצות המושבעים, ובית המשפט החליט לדחות את בקשת הסנגוריה. חבר המושבעים יצא להתיעצות בשעה 17:30 וכעבור שעה וחצי חזר לאולם בית המשפט וזקן המושבעים השיב לשתי השאלות. על השאלה הראשונה השיב , ואילו על שאלה השנייה השיב . לאחר התייעצות קצרה, אמר אב בית הדין: . בתגובה לפסק הדין, פרץ בייליס בבכי. המשפט נמשך 34 ימים. ב-28 באוקטובר 1913 זוכה בייליס במשפט ושוחרר.
למחרת הזיכוי, התבטא בנושא הסופר הרוסי מקסים גורקי: "חג היום לרוסיה! ניצחה האמת!... פראי־אדם, מחללי כל־קודש, הוציאו דיבה נפשעת על העם היהודי... פסק־דין זה הוא מאורע גדול וחשוב, ויש להציב לו אנדרטת זיכרון לנצח". אלפרד דרייפוס סיפר כי עקב אחרי המשפט "בהתרגשות עצומה" והוא הזכיר לו את משפטו שלו.
אנשי ציבור שונים שהתבטאו בנושא, נחלקו בדעותיהם לגבי משמעותו של פסק הדין: האם בתשובה החיובית לשאלה הראשונה, הייתה הכרה בקיומו של רצח פולחני-דתי אצל היהודים. התובע שמאקוב אמר כי אף על פי שבייליס זוכה, "עצם הדיון הביא תועלת רבה: אנשים רבים, שלא הבינו מה זה 'רצח דתי' התחילו להתעניין בדבר ואולי גם נותנים דעתם על אמצעים למלחמה נגד היהדות". הסופר אמפיתיאטרוב הביע צער על כך: "הייתה בידי המושבעים שעת־כושר לרוצץ את גולגולתו של נחש מזוהם זה – עלילת־הדם, והם רק פצעו אותו. עבור שגיאה זו ישלם העם הרוסי בחרפה, והיהודים ביגון".
לאחר המשפט.
משפטים וועדות חקירה.
לאחר המשפט פתחו עיתוני הריאקציה הרוסית במסע תעמולה שמטרתו ללחוץ על השלטון שיערער על פסק הדין בפני בית המשפט העליון, אולם התביעה החליטה בסופו של דבר לא לערער. במהלך תקופה זו, ב-27 בנובמבר 1913, נמצאה בכפר סמוך לקייב, גופת נער צעיר, ועליה 13 פציעות דקירה. פרופסור סיקורסקי מיהר לזהות גם את הרצח הזה כפולחני-דתי, אולם בנתיחה שלאחר המוות לא נתגלתה הקזת-דם ונתברר כי מדובר בנער יהודי. אף על פי כן, הורה שר המשפטים שצ'גלוביטוב על חקירה והכנה למשפט נוסף על רצח למטרות דתיות. אביו של הנער נעצר בחשד לרצח והואשם בכך שהנער אינו באמת בנו אלא נער נוצרי, אולם בסופו של דבר הרוצח נתפס והאב שוחרר ממעצרו.
בינואר 1914 נערך בבית הדין המחוזי בקייב משפט נגד העיתונאי האנטישמי וסילי שולגין, על הפצת שמועות-שקר במאמריו, שיצאו להגנתו של בייליס. במשפט אמר: "ראיתי את התובע הכללי צ'פלינסקי רומס ברגליו את האמת והחוק... זהו הצעד הישר והנכון ביותר שעשיתי בחיי". שולגין הורשע ונידון לשלושה חודשי מאסר, אולם בסופו של דבר זכה לחנינה. בזכות מאבקו הנועז כנגד הזרם בחוגים שהשתייך אליהם, כינו אותו מספר עיתונים "זולא הרוסי", על שם הסופר הצרפתי שיצא להגנת דרייפוס. ורה צ'בריאק הגישה תביעות דיבה נגד העיתונאי בראזול-ברושקובסקי ושני עוזריו. שלושת המשפטים נערכו באפריל ומאי 1914 ונסתיימו בזיכוי הנאשמים. כמה מהאישים שסייעו בחקירה לטובת בייליס, זכו לאחר המשפט לטיפול שנראה כפעולת נקם מצד השלטונות: הבלש קיריצ'נקו הודח ממשרתו והועמד לדין על סיוע לבריחת גנב ממעצר. בראזול-ברושקובסקי הועמד לדין על זלזול בכבוד הצאר, מכיוון שלא עמד דום בזמן נגינת ההמנון הלאומי, ונכלא במבצר במשך שנה. לאחר מכן נתבע לדין על הפצת שקרים על המשטרה בספרו "האמת על רצח יושצ'ינסקי". נגד העיתונאי נוביקוב הוגש משפט דיבה בגין מאמריו נגד השלטונות בנושא משפט בייליס. עורך הדין מרגולין הודח על ידי שופטי בית המשפט המחוזי בקייב באשמת "התנהגות בלתי הולמת" – פגישתו עם ורה צ'בריאק בבית המלון בחרקוב. עורכי דין בסנקט פטרסבורג נענשו על החלטת תמיכתם בבייליס בזמן משפטו – רישיונותיהם נשללו למספר חודשים.