Am 10. Januar 1950 wurde Koch über Helmstedt und Küstrin nach Warschau gebracht, wo er im Gefängnis Mokotów inhaftiert wurde. Den Prozessauftakt verschleppte er bis zum 9. Januar 1957 und stellte zudem im Herbst 1957 mehrere Gnadengesuche. Mehrere Anklagepunkte wurden aufgrund eines Amnestiegesetzes vom 27. April 1956 fallengelassen. Das Gericht beschränkte sich zudem darauf, nur über die Verbrechen Kochs auf polnischem Territorium zu verhandeln. Daher waren seine Verbrechen in der Ukraine nicht Gegenstand des Verfahrens. Ein von der Stasi präparierter Zeuge sagte zum Erstaunen der polnischen Staatsanwälte aus, Koch habe den Befehl zur Erschießung der polnischen Offiziere im Wald von Katyn gegeben, doch wurde diese Aussage vom Gericht ignoriert. Am 9. März 1959 wurde er durch das polnische Gericht in Warschau wegen Kriegsverbrechen gegen polnische Staatsbürger zum Tode verurteilt. Die Hinrichtung blieb ihm jedoch erspart, da er an chronischem Blasenkrebs litt und Todesurteile in Polen nur an gesunden Verurteilten vollstreckt wurden. In seinem Schlusswort vor Gericht äußerte Koch Unverständnis darüber, sich vor Gericht verantworten zu müssen, während sein ehemaliger enger Mitarbeiter Theodor Oberländer unbehelligt in Bonn Minister sei. 1960 wurde das Urteil in lebenslange Haft umgewandelt.