בינואר 1957 נפתח הדיון בערעור הפלילי שהגישה המדינה על פסק דינו של השופט הלוי. נשיא בית המשפט העליון, השופט יצחק אולשן, החליט שהדיון יישמע בפני הרכב מורחב של חמישה שופטים בראשותו. לצדו ישבו ממלא מקומו שניאור זלמן חשין והשופטים שמעון אגרנט, משה זילברג ודוד גויטיין. הנשיא אולשן עמד על כך שבניגוד לדיון בית המשפט המחוזי הטענות שיושמעו במסגרתו לא יחרגו מהמסגרת המשפטית. לשם כך הוא קצב לשמיעת העדויות שבועיים בלבד, ובפועל הן נשמעו במשך 17 יום, מ-19 בינואר עד 6 בפברואר 1957. את התביעה ייצג היועץ המשפטי לממשלה עו"ד חיים כהן, ההגנה יוצגה על ידי משרדו של עו"ד שמואל תמיר, שכלל גם את עו"ד דוב לוין.
ב-20 בינואר 1957 החל הדיון בערעור. בנאום הפתיחה של היועץ המשפטי כהן הוא תקף באופן חריף את קביעותיו של השופט הלוי וטען כי נעשה לקסטנר עוול שלא היה כמותו באף בית משפט בישראל או בכלל. כהן אמר שהוא איננו פרקליטו של קסטנר ואינו מוכן להגן על כל שאמר ועשה: "יש דברים רבים שהוא עשה שאינני מבין אותם ואיש מאיתנו, כולל בית המשפט לא יוכל להבינם".
ההתנקשות.
בלילה שבין 3 ו-4 במרץ 1957, בעוד שמיעת הערעור נמשכת, התנקשו שלושה צעירים בחיי ישראל קסטנר. הם ארבו לו בפתח ביתו ברחוב עמנואל הרומי 6 בתל אביב, וחיכו שיחזור מעבודתו כעיתונאי במערכת העיתון בשפה ההונגרית "אוי קלט". כשיצא ממכוניתו, כמה דקות אחרי חצות, ניגש אליו אחד המתנקשים ושאל אותו האם הוא ד"ר קסטנר. קסטנר השיב בחיוב, והמתנקש ירה בו באקדחו שלוש יריות. קסטנר נפגע רק בירייה השלישית, ונפצע מכדור שחדר דרך מותנו. הוא הובהל לבית החולים הדסה שם הספיק לדבר עם חוקרי המשטרה לפני שהוכנס לניתוח. ב-15 במרץ מת קסטנר מפצעיו.
שעות אחדות לאחר ההתנקשות עצרה המשטרה שלושה צעירים שנראו גונבים את הג'יפ ששימש את המתנקשים. השלושה היו יוסף מנקס (הקושר), זאב אקשטיין (היורה) ודן שמר (הנהג). בנוסף להם נעצר עו"ד יעקב חרותי, מנידוני מחתרת צריפין, שהמשטרה ייחסה לו מעורבות בארגון הרצח.
שלושת המתנקשים הועמדו לדין בבית המשפט המחוזי בתל אביב באשמת רצח, וכן באשמת השתייכות לקבוצת מחתרת. התביעה ייחסה את ראשות החוליה ליוסף מנקס, וזאב אקשטיין העיד נגדו במשפט. ב-7 בפברואר 1958 נידונו השלושה למאסר עולם. פסק הדין אושר על ידי בית המשפט העליון בדצמבר 1958.
במשפט אחר, שהתנהל בפני הרכב שונה, הואשם יעקב חרותי בניהול ארגון טרור ובהפצת כרוזים נגד אחד השופטים שדנו במשפט קסטנר בהליכיו המוקדמים. חרותי זוכה מאשמת הנהגת ארגון טרור, אך הורשע בהפצת הכרוזים ונידון למאסר של שנה וחצי.
בית המשפט קבע, הן במשפט המתנקשים והן במשפטו של חרותי, שהתביעה לא הצליחה להוכיח את קיומה של מחתרת, אולם המדינה ערערה ובית המשפט העליון קבע כי מחתרת אכן הייתה.
פרשה זוטא התעוררה תוך כדי המשפט, כאשר התברר כי זאב אקשטיין היה סוכן של שירות הביטחון הכללי ונשלח לקבוצה המחתרתית כדי לשמש בה כמודיע. הוא עבד בשירות עד כשנה ורבע לפני הרצח. הש"ב טען כי אקשטיין ניתק את הקשר עם מפעיליו, ונסחף בעצמו לרעיונות המחתרת והשתתף בה. אקשטיין עצמו אישר עובדה זו בראיון ממושך עם גיילן רוס במסגרת סרטה הדוקומנטרי "להרוג את קסטנר" (2008). במהלך אותו סרט ציין אקשטיין לראשונה כי נורתה ירייה רביעית אל קסטנר, שלא נורתה מאקדחו שלו. עובדה זו מצביעה, לכאורה, על מעורבות אדם נוסף בהתנקשות. בראשית 2015 פורסם כי השירות ידע על הכוונה הכללית להתנקש בקסטנר, וכי קסטנר לווה בידי שומר ראש של השב"כ, ליווי שהופסק מספר ימים קודם לרצח.
ראש השירות, איסר הראל, הסביר בספרו על רצח קסטנר מדוע הוסרה השמירה: "למי מכוחות הביטחון היה ראש ופנאי בתקופת מלחמת קדש להתעסק עם קסטנר או להפריש כוח אדם לשמירה עליו". אלא שהמלחמה ארכה מספר ימים והסתיימה שלושה חודשים לפני הרצח. ב-2021 פורסם כי בן-גוריון טרח להסתיר את הקשר של השב"כ לפרשה.
חמש שנים לאחר שנשפטו למאסר עולם, פנה בן-גוריון אל אלמנתו ואל בתו של קסטנר, וביקש את רשותן להעניק חנינה לשלושת המתנקשים. אלמנתו סירבה, אולם בתו הסכימה והשלושה זכו לחנינה מנשיא המדינה זלמן שזר. דן שמר שוחרר במאי 1963. אקשטיין ומנקס שוחררו בנובמבר 1963. בצאתו מהכלא, אמר אקשטיין: "אם יש בלבי טינה, הרי היא רק לגבי אלה שהכניסו אותי לכאן". מנקס, לעומתו, טען שהוא חף מפשע והאשים את אקשטיין ואת ה"כת" ששלחה אותו: "אותה כת שכללה מרגלים כגון 'האדם השלישי' ובר, רצתה לסלף את ההיסטוריה. כת זו שלחה את הפרובוקטור אקשטיין לרצוח את קסטנר כדי לטשטש את פשעיה היא".
קסטנר נטמן בבית העלמין נחלת יצחק. הוא הותיר אחריו את רעייתו ובתו סוזי. אלמנתו של קסטנר, אליזבט, נפטרה ב-1973 ונקברה לצדו. נכדתו היא מרב מיכאלי.
לאחר מותו.
פסק הדין בערעור.
ב-17 בינואר 1958, עשרה חודשים לאחר רציחתו של קסטנר, קבע בית המשפט העליון, ברוב דעות של שלושה נגד שניים, כי קסטנר לא שיתף פעולה עם הנאצים וכן שלא היה שותף בעקיפין לרצח של יהודי הונגריה ולשותפות גזל עם הנאצים. לצד זאת, קבע בית המשפט כי קסטנר אכן סייע בהצלת נאצים לאחר המלחמה. גרינוולד הורשע ונידון לשנה מאסר על תנאי.
פסק דינו של השופט ד"ר שמעון אגרנט השתרע על פני 194 עמודים והיה מקובל על הנשיא יצחק אולשן ועל ממלא מקומו השופט שניאור זלמן חשין. לעומתם, השופטים ד"ר משה זילברג ודוד גויטיין הציגו שתי דעות מיעוט. דעת הרוב אמנם לא חלקה על העובדות שהוכחו בבית המשפט המחוזי, אך היא ניתחה אותן אחרת מהשופט הלוי וחלקה עליו בשאלה העקרונית לגבי מניעיו של קסטנר במשא ומתן עם הנאצים. השופט אגרנט פסק כי "קסטנר המשיך עד הסוף במטרה יחידה - למלט את המספר הגדול ביותר של יהודים, שניתן היה להציל בנסיבות הזמן והמקום"; וכי "רכבת המיוחסים הייתה רק תוצאת לוואי של המשא ומתן הזה".
אגרנט קבע גם שאין מקום לטרוניה על כך שקסטנר כלל במשלוח את אמו ואשתו וציין כי לעומת זאת כמאה מקרובי משפחתו לא הועלו לרכבת ולכן נספו.
עם זאת, אגרנט הוסיף: "את קסטנר תשפוט ההיסטוריה ולא בית המשפט". רוצה לומר, עדיין יש מקום לדיון מוסרי בפעילותו; אולם בניגוד לדעת השופט הלוי במחוזי - לא סבר אגרנט שיש לעסוק בפרשה החורגת מהסוגיה המשפטית גרידא, האם מלכיאל גרינוולד הצליח לשכנע "אמת דיברתי". לפיכך פסק אגרנט כי גרינוולד לא הוכיח די הצורך את ההאשמות נגד קסטנר, לבד מההאשמה של הצלת נאצי לאחר השואה. על האשמה זו חמשת השופטים הסכימו פה אחד להשאיר את הקביעה כי "קסטנר הציל באמצעות שקר ביודעין ובאורח פלילי את קורט בכר מהעונש שציפה לו בנירנברג" (עונש מוות), ובכך הוכיח המשיב את הגנת "אמת דיברתי", בניגוד להצהרתו של קסטנר בבית המשפט המחוזי.
הנשיא יצחק אולשן לא רק הסכים עם מסקנותיו של אגרנט, אלא אף ביקר בחריפות את הדרך בה ניהל השופט הלוי את המשפט. הוא קבע כי מכמה בחינות התנהל המשפט שלא בהתאם לכללי הפרוצדורה המקובלות. לטענתו, השופט הלוי קיבל עדויות בלתי רלוונטיות וכן התיר ניהול "חקירות ממושכות לאין קץ בנוגע לדברים של מה בכך". אולשן ביקר אף את החלק המוגזם שנטל הלוי בחקירת שתי וערב של רוב העדים. עם זאת ציין בפסק דינו כי "בית המשפט לא בא לתת תעודת יושר לקסטנר, או תעודת אישור להערכת פועלו... ועדה חוקרת ציבורית - בפניה יכול היה קסטנר להתגונן כצד ולא כעד סתם - הייתה יותר מתאימה בשביל לדון בכל אלה. ובנידון זה תמים דעים אני עם עו"ד תמיר בא כח המשיב שהציע זאת באחד השלבים במהלך המשפט בערכאה הראשונה".
פסק הדין תרם תרומה חשובה לתדמיתו ההיסטורית של קסטנר, ובעיני רבים כבר לא נחשב כמי שמכר את נפשו לשטן, אלא כאיש אמיץ שכדברי השופט שניאור זלמן חשין בפסק הדין:
אם כי בחלק אחר של פסק-דינו כתב:
חשין התייחס למושג "שיתוף פעולה עם הנאצים" וכתב:
לעומתם השופט גויטיין קיבל את פסק הדין של השופט הלוי במלואו. הוא אף הרחיק לכת וציין בפסק דינו כי:
השופט זילברג אישר אף הוא בפסק דין ארוך את פסיקתו של הלוי, והסכים לטענה שבתמורה להוצאת רכבת קסטנר מהונגריה מנע קסטנר ביודעין מיהודי הונגריה מידע על אודות המתרחש באושוויץ. עם זאת, בניגוד לגויטיין, הסתייג זילברג מההאשמה בדבר "רצח בעקיפין" של יהודי הונגריה, וסבר כי היא לא הוכחה על ידי גרינוולד די הצורך.
ההיסטוריון אלי ריכנטל, המתבסס גם על תיעוד שלא היה לעיני השופטים, תומך בהערות השופט זילברג בערעור, בדעת מיעוט. לדעתו, די היה במידע שבידי קסטנר כדי להוביל למסקנה שהנאצים נחרצים לחסל את יהדות הונגריה, מלבד קבוצת מיוחסים. לדבריו, אגרנט בחן כל ידיעה בידי קסטנר בפני עצמה, ללא הצטברות כולן יחד ומתוך הקונטקסט השלם. דברים דומים כותבת מיכל שקד. לדבריה, השקפתו של אגרנט על ההיסטוריה הביאה ל"מאמץ בולט לזכות את קסטנר".
כעבור שנים לאחר המשפט, הביע השופט בנימין הלוי חרטה על השימוש במילים "מכר את נפשו לשטן". לדבריו, הייתה זו מליצה מיותרת שלא פורשה נכון.
בשיח הציבורי ובתרבות.
בשיח הציבורי בעניין אישיותו ותדמיתו של קסטנר נותרה מחלוקת. יש הרואים בו גיבור הירואי, דעה המשתקפת במאמריו של חוקר השואה וחתן פרס ישראל פרופ' יהודה באואר, בספרו של ההיסטוריון פרופ' יחיעם ויץ "האיש שנרצח פעמיים", במחזהו של מוטי לרנר "קסטנר" שהוצג בקאמרי, בסרטו של יהודה קווה "פרשת קסטנר", מ-1983, ובסדרת הטלוויזיה "משפט קסטנר" שכתב מוטי לרנר וביים אורי ברבש בהפקת הטלוויזיה הישראלית בשנת 1994. המלחין אריק שפירא כתב אופרה אלקטרו-אקוסטית בשם "משפט קסטנר" כשהליברית מבוסס על פרוטוקול המשפט. לדעת מרטין גילברט, קסטנר לא היה נבל אלא קרבן של הונאה מצד אייכמן.