בונין הובא למשפט במחוז אורנג' השכן ב-21 במרץ 1983, והואשם בביצוע שוד וברצח ארבעת הקורבנות הנוספים אשר נמצאו בתחום השיפוט המחוזי בין נובמבר 1979 למאי 1980. הוא נשפט בפני שופט בית המשפט העליון קנת לי.
לפני פתיחת המשפט הועבר בונין מתא המוצאים להורג בבית הכלא סן קוונטין לתא בידוד, שם נותר עד לתום משפטו. באותו הזמן ניסה סנגורו של בונין לשנות את מקום המשפט בטענה כי הסיקורים הנרחבים של המקרה בתקשורת יקשו למצוא חבר מושבעים שדעתו אינה מושפעת, אולם עתירה זו נדחתה בידי השופט לי אשר פסק כי המקרה לא זכה לפרסום רב במחוז אורנג' מאז הרשעתו הראשונה של בונין.
בריאן בראון, התובע מטעם המחוז, טען כי ארבעת הקורבנות נחטפו בזמן שתפסו טרמפים, נאלצו להתפשט בל כורחם ונכפתו בידיהם וברגליהם. לאחר מכן נאנסו וספגו חבטות, עינויים, ומתו כתוצאה מחניקה. בנוסף לכך הציגה התביעה מומחים אשר העידו על הקשירה המיוחדת בה השתמש בונין בכדי לחנוק את קורבנותיו ושהיוותה את "סימן ההיכר" שלו, וכן על השטיח שנח ברכבו של בונין שסיביו התגלו על מספר גופות; שתי ראיות המוכיחות כי כל הקורבנות נרצחו על ידי אותו אדם.
בתגובה תקף שרבט את אמינותו של מונרו, וטען כי בונין משמש כשעיר לעזאזל בידי ההגנה בניסיון לכסות על ארבעה מקרי רצח לא פתורים. המשפט ארך שישה שבועות ובמהלכו זימנה ההגנה שני עדים בלבד, כאשר אחד מהם, מונרו, סיפר כיצד בונין יצר עמו קשר וביקש שישקר כאשר יגיע למסור את עדותו.
ב-2 באוגוסט 1983, מסר חבר המושבעים את החלטתו לאחר פחות משלוש שעות, וקבע כי מצא את בונין אשם בכל אחד מארבעת סעיפי הרצח, בנוסף לשלושת סעיפי השוד. לאחר שלושה ימים נוספים בהם דנו המושבעים על העונש שימליצו להטיל עליו, הצהירו ב-22 באוגוסט שיבקשו להטיל עליו את עונש המוות בעוון כל אחד מהסעיפים. ב-26 באוגוסט הטיל השופט ארבעה גזרי דין מוות על בונין, ותיאר אותו כ"סאדיסט בעל התנהגות פושעת ומפלצתית".
אגף המוצאים להורג.
בונין נותר באגף המוצאים להורג בבית הכלא סן קוונטין במשך ארבע עשרה שנים בזמן שהמתין להוצאתו להורג באמצעות תא גזים. במהלך מאסרו החל לכתוב ולצייר כתחביב, וקיבל פרסים שונים על עבודותיו האומנותיות ועל הסיפורים הקצרים והפואמות שכתב. כמו כן התיידד עם הרוצחים הסדרתיים לורנס ביטקר, רנדי קראפט ודאג קלארק, איתם שיחק לעיתים ברידג'.
הוא שמר על קשר והתכתב עם מספר אנשים מחוץ לכותלי בית הכלא, ביניהם כמה מאמהות קורבנותיו. בהתכתבויות אלו מעולם לא הביע חרטה או צער על שרצח את ילדיהן. במקרה אחד, כתב לאמו של שון קינג שבנה היה הקורבן המועדף עליו מאחר שהיה "צרחן כל כך טוב". כמו כן טען בפני עורכי דינו כי באטס היה האחראי האמיתי לרציחות, ושהוא בסך הכל היה עוזרו. טענות אלו הופרכו בידי נוריס, התובע במשפט בלוס אנג'לס, אשר אמר על בונין לפני הוצאתו להורג כי "הוא היה המנהיג האמיתי, והוא בחר באנשים חלשים שיכל להשתמש בהם".
שיטת הוצאתו להורג של בונין שונתה לזריקת רעל בידי מדינת קליפורניה ב-1992, לאחר הוצאתו להורג של רוברט אלטון האריס, האסיר הראשון שהוצא להורג בקליפורניה מאז 1967. האריס הפגין סימנים שונים של סבל וגופו התעוות במשך ארבע דקות בתוך תא הגזים, ובשל כך נמנעו הרשויות משימוש בתא הגזים אשר הוגדר מעתה ככלי אכזרי.
ערעורים.
בונין הגיש מספר ערעורים בדבר הרשעותיו וכנגד גזר דינו. הוא האשים את חבר המושבעים בכך שהיה מושפע לרעתו ואת הגנתו בכך שהתנהלה בצורה רשלנית ובזויה. עבור ערעורים אלו שכר בונין עורכי דין חדשים, שתחילה עמדו על כך שעורך דינו הקודם, שרבט, סיפק הגנה לא הולמת במשפטיו בכך שנכשל להדגיש בפני חבר המושבעים את ההתעללות המינית שספג בונין בילדותו ואת התסמונת הדו קוטבית ממנה סבל. לטענתם, העלאת הטענות הללו במשפטו הייתה הופכת את בונין לאנושי יותר בפני חבר המושבעים ועשויה הייתה להקל על גזר דינו. בית המשפט העליון של ארצות הברית דחה את פניותיהם וסירב לשנות את גזר הדין.
אף על פי שדחה את ערעוריו של בונין, נזף בחומרה בית המשפט העליון בשופט קין על כך שכשל להקשיב לעצת התביעה קודם למשפט בלוס אנג'לס על כך שמונרו שקל את האפשרות לקבל ייעוץ משפטי משרבט, סנגורו של בונין. אף על פי שקין הזהיר את שרבט מפני תרחיש אפשרי של ניגוד עניינים, הרשה לו לייצג את בונין.
הוצאה להורג.
בונין הוצא להורג באמצעות זריקת רעל בתוך תא הגזים של בית הסוהר סן קוונטין ב-23 בפברואר 1996, ארבע עשרה שנים לאחר מתן גזר דינו. הוא האדם הראשון בהיסטוריה שהוצא להורג בצורה זו בקליפורניה.
בראיון האחרון שהעניק לתחנת רדיו מקומית פחות מיממה לפני מותו, אמר בונין שהשלים עם קיצו ההולך וקרב. הוא חשף כי החרטה היחידה שלו היא שלא רדף אחר תשוקת נעוריו להפוך לשחקן באולינג מקצועי. כשנשאל האם ברצונו להעביר מסר למשפחות הקורבנות, אמר: "הם חושבים שהמוות שלי יביא לסגירת מעגל, אבל זה לא מה שיקרה. עוד מעט הם יגלו מה יקרה".
בשעה 18:00 הועבר מתאו לתא ההמתנה המיועד להוצאה להורג, שם אכל את ארוחתו האחרונה; שתי פיצות גדולות, שלושה ליטרים של גלידה ושלוש שישיות קולה. הוא בילה את שעותיו האחרונות עם חמישה אנשים שביקש שיהיו בחברתו באותה שעה; שלושה מהם היו עורך דינו, כומר, וסופר ביוגרפיות. מאוחר יותר אמרו שלושתם כי באותה שעה נראה שבונין השלים עם גורלו. עורך דינו הוסיף שלקוחו לא הביע חרטה על מעשיו.
ב11:45 נלקח בונין לתא ההוצאה להורג. מילותיו האחרונות, אותן מסר למנהל בית הכלא כשעה לפני מותו, היו כדלקמן:
בונין הוכרז כמת בשעה 00:13. הוא היה בן 49 במותו. לפי מספר עדויות, חלפה ההוצאה להורג ללא בעיות מיוחדות או סיבוכים כלשהם, ובונין היה שרוי תחת השפעת סמי הרגעה לכל אורך שלביה. אף אחד מבני משפחתו לא נכח בהוצאה להורג, אולם רבים מקרובי הקורבנות הגיעו בכדי לצפות.
רוצחי "דרכים" אחרים.
ב-1 ביולי 1977, נכנע פטריק קירני והסגיר את עצמו למשטרה, לאחר שהפך לחשוד העיקרי בפרשה שכונתה "רציחות שקי הזבל". לפני הסגרתו היה קירני עבריין נמלט במשך חודשיים לאחר שראיות פורנזיות שהתגלו קישרו אותה לרצח של ג'ון לה מיי בן ה-17. קירני הודה שרצח עשרים ושמונה ילדים וגברים צעירים, ונפטר מגופותיהם לצד כבישים מהירים בדרום קליפורניה. בניגוד לבונין, נהג קירני לרטש את גופות קורבנותיו לפני שהכניס אותם לשקיות זבל והשליך אותן.
שלוש שנים לאחר מעצרו של בונין, שני שוטרי תנועה בקליפורניה עצרו את רנדי קראפט בן ה-38 כשניסה להיפטר מגופתו של נחת אמריקאי. גופת הקורבן הושחתה ונחנקה למוות בדומה לעשרות גברים צעירים אחרים שגופותיהם נמצאו לאורך כבישי קליפורניה מאז 1972. חיפוש ברכבו של קראפט גילה מעטפה שהכילה יותר מחמישים תמונות פולורואיד של גברים צעירים, רובם תחת השפעת סמים או מתים, מוצבים בתנוחות מיניות. חלק מהתמונות היו של קורבנות מאומתים. אף על פי שנפטר מהגופות באופן דומה לזה של בונין, נהג קראפט לסמם את קורבנותיו קודם לכך שהיה שורף את איברי מינם עם מצית הסיגריות שברכב.
בשכלול סופי, ייתכן כי בונין, קראפט, וקירני היו אחראיים למותם של 131 בני אדם.
מורשת.
משפחתו של בונין סירבה לדרוש חזקה על גופתו לאחר הוצאתו להורג ב-1996, ובלית ברירה נשרפה גופתו בטקס פרטי ללא כל קרובי משפחה נוכחים. אפרו פוזר מעל האוקיינוס השקט.
במהלך משפטיו ולאורך השנים שקדמו להוצאתו להורג, הועלו השערות רבות בנוגע לסיבות שהובילו את בונין לבצע את פשעיו, ולעיתים קרובות עלתה השאלה האם האשמה נחה בהתעללות הרבה שספג בילדותו. מתנגדים ותומכים של עונש המוות החזיקו בדעה אחת כי בונין סבל מהתעללות גופנית ומינית חמורה, אולם טענותיו של עורכי דינו כי הרציחות היו תוצאה ישירה שנבעו מכך עוררו תרעומת וכעס.
במאמר שפורסם בארכיון סן פרנסיסקו שלושה ימים לפני הוצאתו להורג של בונין, כתב העורך רוברט מורס: "בונין עבר התעללות בילדותו. ההתעללות הייתה רעה, אולם לא רעה כפי שהוא התעלל בקורבנותיו. העולם מלא באנשים שיודעים לכתוב ולצייר וספגו אלימות דומה כילדים, אך מעט מאוד מהם הפכו לרוצחים סדרתיים. שיעור הפשע נמוך יותר בקרב חולי נפש מאשר אצל אנשים 'נורמלים'. לקרוא לרשע של בונין בשם מחלת נפש, כפי שעשתה ההגנה, או מחלה כלשהי, היא פגיעה בכבודם של חולי הנפש".
באטס לא הותיר אחריו מכתב התאבדות המסביר את מעשיו, אולם התכתבויות עם מכרים אשר נמצאו בתאו גילו כי היה שרוי תחת לחץ ומצוקה בשל החשיפה הקרבה של תמליל הראיות בו תיאר את העינויים שסייע לבונין לבצע, וחשש מהצורה בה ישפיע הדבר על חבריו ובני משפחתו. אף על פי שטען בחקירתו כי השתתף ברציחות אך ורק מתוך פחד מבונין, אמר גם כי שרשרת הרציחות הייתה בעיניו "סיוט קטן ונחמד", והוסיף כי בונין "ממש נהנה מצלילי הצרחות. הוא אהב לשמוע אותם צורחים.. הוא נהנה מכל רגע".
מקויקר, הצעיר ששרד את התקפתו של בונין ב-1975 סבל מטראומה קשה בעקבות המקרה ובשנים הבאות חווה בעיות שינה וסיוטים, נשר מבית הספר והחל לצרוך סמים ואלכוהול. על אף זאת הגיע לצפות בהוצאתו להורג של בונין ותיאר את החוויה כסגירת מעגל וכ"תחילת חייו". בשנים הבאות פעל נמרצות בכדי למנוע משותפיו של בונין, מיילי ומונרו, להשתחרר לחופשי. בראיון שהעניק ב-2011 אמר מקויקר שהסיבה העיקרית להשתתפותו בקמפיין נגד שחרורם היו המילים שאחת מאמהות הקורבנות אמרה לו לאחר שהעייד במשפטו הראשון של בונין: "אתה חייב לדבר בשם בני".