ביום ה-20 למשפט והאחרון לשמיעת העדים, נקראו בבית המשפט הפרוטוקולים של תוצאות הבדיקות שנערכו בזמן החקירה המוקדמת. בעקבות הימצאותם של כתמי זרע גברי על בגדיו של אנדריי, נערכה בדיקה ונמצאו כתמי זרע גם על קירות דירתה של ורה צ'בריאק. על תחתוניו של אנדריי נמצאו שערות, אולם הן היו שונות משערותיו של בייליס. בהזדמנות זו, הביע גרוזנברג תמיהה מדוע צריך היה לשם כך לגלח את כל שערות ראשו וזקנו של בייליס.
העדים המומחים.
הקטגוריה טענה כי ריבוי הפציעות והדקירות בגופו של אנדריי יושצ'ינסקי מעיד על כך שכוונת הרצח הייתה להקיז דם רב ככל האפשר, וזו מצביעה על אופיו הפולחני-דתי של הפשע. הפרופסור קוסורוטוב הופיע מטעם הקטגוריה כעד מומחה, ואילו מצד הסנגוריה הופיעו כעדים מומחים בנושאי פתולוגיה הפרופסורים יבגני פאבלוב ובדיאן. בית המשפט הציג למומחים 23 שאלות. הם קיימו התייעצות וכעבור 9 שעות הגישו סיכום, שבו הסכימו ביניהם על 12 תשובות, ובהן: הרצח בוצע ככל הנראה על ידי שני אנשים לפחות; ביצוע הרצח אינו מוכיח כי יש להם ידיעה כלשהי באנטומיה; הרצח לא בוצע במערה; הוא ככל הנראה בוצע במקום שיש בו הרבה טיט. בניגוד לקוסורוטוב, שטען כי אין ספק שכוונת הרוצחים הייתה הקזת-דם, טען פאבלוב כי אין סימנים לכך.
הפרופסורים סיקורסקי, ולדימיר בכטרב וקרפינסקי הוזמנו כעדים מומחים לפסיכיאטריה. גם הם קיימו התייעצות משותפת, אך לא הסכימו לגבי אף אחת משמונה השאלות שהציג להם בית המשפט, ולכן הופיע סיקורסקי בנפרד מהשניים האחרים, שהסכימו ביניהם. סיקורסקי טען כי הרצח הזה שייך לסוג רציחות שמטרתן הקזת-דם מגופות של ילדים, ויש לו סימנים ברורים: הוא מבוצע בדרך כלל בחודשים מרץ–אפריל, באמצעות דקירות עמוקות שמספרן בדרך כלל הוא 7 או כפולותיו, והגווייה מושארת גלויה ולא קבורה. לדבריו, רציחות כאלו מתרחשות רק במקומות בעלי אוכלוסייה מעורבת של יהודים ונוצרים, אך מעולם לא קרה שהקורבן היה נער יהודי, אלא רק ילדים נוצרים, ומכאן שמי שמבצע את הרציחות היא כת של קנאים דתיים מבין היהודים, והדבר כבר הוכח במשפט סראטוב ב-1853. הוא טען כי אין יהודים שמתנגדים לרציחות כאלו, וכאשר חושדים בהם כשנרצח ילד נוצרי, הם "פותחים מיד במסע־תעמולה אדיר, שבו משתתפים כל יהודי העולם". הסופר ולדימיר קורולנקו, שסיקר את המשפט, כתב כי עדותו של סיקורסקי היא "אוסף של דברי הבל ואמונות טפלות, שאין להם כל דמיון לחוות־דעת מדעית". בכטרב טען כי בספרות המדעית הפסיכיאטרית אין כלל חומר על רציחות דתיות וציין כי עדויותיהם של הארכימנדריט אמוורוסי ושל הכומר פראנייטיס סותרות זו את זו ואת הממצאים ברצח הנידון: הראשון טען כי על פי המנהג היהודי, מספר הפצעים צריך להיות 45, ואילו השני טען כי המספר הוא 1+12 ("אחד" בגימטריה), בזמן שמספר הפצעים במקרה הרצח הזה שונה משניהם; האחרון טען גם כי מכשיר הרצח חייב להיות סכין ואילו במקרה הזה נעשה שימוש במרצע. למחרת עדויות המומחים, כתב העיתון הימני "קייבליאנין": "גרסת הרצח הדתי בטלה... כל המשפט הזה הוא שגיאה גדולה".
התביעה הזמינה גם שני "עדי ראייה" לפולחן הדתי. הארכימנדריט ארטונום טען כי היה יהודי עד גיל 10, בילדותו הזהירוהו כי היהודים "רוצחים ילדים נוצרים" וברשותו חומר ארכיוני על ילדים כאלה עוד מהמאה ה-18. הסנגור גרוזנברג הצטרף לבקשת הקטגוריה לצרף את התעודות הללו לתיק המשפט והסביר: "אין לנו מה להסתיר... הדת היהודית, צרופה כזהב, עומדת בפני השמש". אלא שבית הדין דחה את הבקשה. עדותו של הארכימנדריט אמוורוסי הוקראה. לדבריו, אצל היהודים, ובמיוחד אצל ה"חסידים", יש מנהג שבו מוהלים דם נערים נוצרים באפיית המצות והוא מסמל את הרעיון שהגויים הם עבדיהם. זאת הוא שמע משני נזירים, יהודים מומרים: דונאט, שכבר נפטר, וארטונום.
לפני שהחלה שמיעת העדים המומחים לענייני דת, נערכה ישיבה סגורה, בה שמע חבר המושבעים את קריאתו של דו"ח "הוועדה המיוחדת לחקירת כת־החסידים" (תנועת החסידות) משנת 1858, הכולל מקורות שטענו כי יסודותיה העיקריים של ה"כת" הזו הם שנאה וביזוי הנוצרים. אלא שמסקנותיה של ועדה זו, בהן הוכחשו ההאשמות כלפי החסידים, לא הוקראו.
להבהרת הסוגיות הדתיות, הוזמנו עדים מומחים ממוסדות ההשכלה הממלכתיים ברוסיה ומקרב הקהילה היהודית, להם הוצגו 29 שאלות. הם נתבקשו לחוות דעתם בנפרד ונאסר עליהם לקיים התייעצויות משותפות. הכומר פראנייטיס טען כי לאחר חורבן בית המקדש השני פסקה הקרבת הקורבנות, אולם היהודים המשיכו עם קרבנות אדם – נוצרים. הרב מזא"ה נשא נאום מלומד, במהלכו ציטט מפרק י"ז בספר ויקרא ("כָּל נֶפֶשׁ מִכֶּם לֹא תֹאכַל דָּם" וכו'). פרופסור איוואן טרואיצקי , מהאקדמיה הפראבוסלאבית־רוחנית בפטרסבורג, העיד כי גם על פי התלמוד, השימוש בדם אסור. פראנייטיס נתבקש לציין מראי מקום לטענותיו במקורות היהודיים, אך טען כי הם אינם בידיו והוא אינו זוכר בעל פה. התובע זמיסלובסקי חש לסייע לו וטען: "בהוצאות מאוחרות יותר של התלמוד מחקו היהודים את המקומות האלה או 'תיקנו' אותם. כל הספרים, המכילים סודות מסוכנים ליהודים נעלמו מן הספריות בעולם!".
טרואיצקי אמר כי את ה"מאמרים" שניאופיט ציטט כביכול מהתלמוד, הוא בדה מלבו. פרופסור טיכומירוב, מ"המוסד ההיסטורי-פילולוגי" בנואז'ין, אמר כי האשמת היהודים ברצח דתי הייתה אחת התופעות המשונות שאפיינו את ימי הביניים, כמו המשפטים נגד בעלי חיים ומכשפות, וכי במקרים בהם נאשמים הודו בפשע זה – הודאתם נסחטה מהם בעינויים אכזריים. הסנגוריה פנתה לותיקן, בבקשה לקבל עותקים של אנציקליקות של אפיפיורים מתקופות שונות, המוכיחות כי ראשי הדת הנוצרית שללו את האשמת היהודים ברצח פולחני-דתי, אולם אלה לא נתקבלו בבית הדין לפני סיום המשפט. עם גילוי התיקים הסודיים של משרד החוץ ב-1917, נתברר כי שגריר רוסיה בוותיקן עיכב את מתן אישורו עליהם כדי שיוכלו לשמש כמסמך משפטי. על המכתב לשר החוץ, בו הודיע השגריר על העיכוב, הופיעה גם הערה בכתב של הצאר עצמו, מה שמצביע על כך שייתכן והדבר נעשה בהסכמתו.
בתום עדויות המומחים, עלה הכומר פראנייטיס לחקירה נוספת על דוכן העדים, אלא שבשלב זה הוא נקלע לרצף שאלות מצד התובע שמאקוב, שעליהן השיב "אינני יודע" או "אינני זוכר". הקטגור ניסה לסייע לעד הנבוך בשאלות מדריכות, ובתגובה למחאת הסנגוריה על כך, אמר בנימה מתנצלת: "מה יכול אני לעשות אם 'העד־המומחה' אינו זוכר כלום?" – אמירה שעוררה צחוק באולם. מצב זה נמשך גם למחרת. הסנגור קרבצ'בסקי נענה להצעת העיתונאי בן-ציון כ"ץ, שכיסה את המשפט עבור העיתון "הזמן", ושאל את פראנייטיס: "הזכרת בחוות הדעת שלך את השם בבא בתרא?... מי הייתה אשה זו?" (בבא בתרא הוא החלק האחרון של מסכת נזיקין בתלמוד, אך "באבא" ברוסית היא "סבתא"). פראנייטיס השיב: "אינני יכול להיזכר מי הייתה אותה באבא בתרא". גם תשובה זו עוררה צחוק באולם, והוכיחה את בורותו של העֵד המומחה של הקטגוריה.
נאומי הסיכום.
עם סיום עדויות המומחים, נישאו במשך חמישה ימים נאומי הסיכום של שלושת נציגי התביעה וחמשת נציגי ההגנה. לאחר סבב ראשון, שבו העלו את טענותיהם, נערך סבב קצר נוסף, בו העלו את השגות-הנגד שלהם.
הקטגור ויפר תקף את הציבור היהודי על כך שיצר למשפט תהודה עולמית, וטען כי גם הוא עצמו מרגיש "נתון תחת השפעה יהודית", למשל באמצעות העיתונות הרוסית, ש"נכבשה ממש על ידי היהודים". בהתאמה לכך, טען התובע שמאקוב: "במשפט זה אנו ניצבים מול היהדות העולמית, והיא בעלת אמצעים בלתי־מוגבלים". הסנגור קרבצ'בסקי הגיב להאשמת פרקליטי ההגנה הנוצרים כ"משרתי היהודים" והצהיר: "כן! אני משרת בעניין זה את היהודים, משום שהצדק איתם!". הפרקליט גרוזנברג השיב לטענה שהתלכדותו של הציבור היהודי להגנת בייליס מהווה מעין הוכחה לאשמתו: "מקום שמעלילים שם על כלל, על ציבור שלם, שם מתאחדים כל אנשי המצפון והמוסר, שכן מרגישים כולם, כי המכה שאומרים להנחית על איש אחד כביכול, מכוּונת לאמיתו של דבר נגד כולם... איך, איפוא, לא יפחדו היהודים מפני קלון כזה, העלול להוציאם מכלל החברה האנושית?".
ויפר וזמיסלובסקי האשימו את החוקרים מישצ'וק וקראסובסקי בהטייה מכוונת של החקירה ואת העיתונאים ברשצ'בסקי ובורשקובסקי בהמשכת ההטייה לאחר שהחוקרים הודחו. שמאקוב הוסיף כי הבולשת שיתפה פעולה בכך עם היהודים. כמו כן, טען כי הסטודנטים מאכאלין וקאראייב אינם אמינים, משום שקיבלו כסף רב עבור עבודתם. קרבצ'בסקי האשים בתגובה את השלטונות וטען כי הם אלה שהזניחו במכוון עובדות שונות שנתגלו בחקירה, שהצביעו על כוונת הרוצחים להטעות את החוקרים לעבר ההשערה בדבר רצח פולחני-דתי בידי יהודים. הוא הזהיר כי אם בית המשפט יקבע תקדים משפטי ויכיר רשמית בקיומו של "רצח דתי", הוא יביא לכך שרוצחים רבים ישתדלו מעתה לבצע את מעשי הרצח בצורה שתיראה כבעלת מטרה פולחנית.