1963年7月9日、当時の浦和地方裁判所（現：さいたま地方裁判所）に強盗強姦・強盗殺人・死体遺棄で追起訴されて浦和拘置所に移送された石川は、1963年9月4日から始まった一審で犯行を終始認め、判決の言い渡しまで否認をしなかった。捜査官の自白強制による冤罪の場合、公判では被告人が一審から無罪を主張するのが通例であり、石川のように一審で罪を全面的に認めていたのは特異なケースとされる。石川によると、当初罪を認めていたのは、警視の長谷部梅吉から「石川君　何時まで強情張って居るのだい、殺したと言わないか、そうすれば一〇年で出してやるよ、石川君が言わなくても九件も悪い事をしてあるのだしどっちみち一〇年は出られないのだよ…」「石川君 殺したと言って 呉れ 吾は必ず一〇年で出してやるからな」と甘言で釣られたためであるというが、当の長谷部はこのような発言の存在を否定しており、石川の申立の信憑性は証明されていない。冤罪論の立場からは、石川の自供は警察に騙されて引き出されたものと説明されているが、自供した動機の説明として「それだけでは不十分」であることは『狭山差別裁判』の著者の師岡佑行も認めている。なお、逮捕当初の石川は被害者の父に1963年6月27日付で「このかみをぜひよんでくださいませ○○○○（被害者の父の氏名）さん私くしわ●●●●（被害者の氏名）さんごろしの石川一夫（ママ）です」との書き出しで、「●●（被害者の名）さんごろしのつみをぜひいちばんのつみにしてくださいませ　この一夫（ママ）はよの中のためにわなりませんからぜひおもくしてください」「○○○○（被害者の父の氏名）さん一夫をぜひいちばんのつみにしてください　●●（被害者の名）さんごろしの一夫です　○○○○（被害者の父の氏名）さん」と訴えた謝罪の手紙を出している他、川越警察署分室の留置場の壁板にも「じようぶでいたら一週かに一どツせんこをあげさせてください。六・二十日石川一夫（ママ）入間川」と詫び文句を爪書している。しかし、弁護人の中田直人らは自白や物証の疑わしさを衝き、また警察による違法捜査の可能性を指摘し、無罪を主張した。ただし一審の段階では石川が犯行を認めていたため、弁護人橋本紀徳の最終弁論もまた、本事件が石川の犯行であったことを前提に、石川に前科がなかったこと、出来心による犯行であったこと、意図的に殺したのではなく誤って殺したことなどを強調し情状酌量を狙う内容となっていた。なお、石川家には私選弁護人の報酬を支払う能力がなかったため、中田らは自腹で石川を弁護した。一審判決の直前、1964年3月7日、石川は知人である巡査長の関源三に「私は必ず人を殺して反省をしないようでは神様が黙ってはおりません　又私はどのような「サバ」きを受けようが決して不服はありません」と書き送っている。1964年3月11日に浦和地裁は石川に対し、死刑の判決を言い渡した。翌3月12日、石川は控訴し、同年4月30日、東京拘置所に送られた。控訴後、1964年3月26日、知人である巡査長の関源三に「テレビやラジオ新聞でご存知のとうり（ママ）私は死刑の判決を受けました　それも仕方のないこととあきらめておりますが控訴申立の手続だけはしておきました」と石川は書き送っている。また、1964年4月20日付で浦和地裁の裁判長に「私は狭山の女子高校生殺しの大罪を犯し三月一一日浦和の裁判所で死刑を言い渡された石川一雄でございます」で始まる上申書を出しており、この段階では殺人の罪を争っていなかった。このころ拘置所で石川と同房だった者の証言によると、当時の石川は「こういう判決だったけれども十年か十五年たてば出られるから、まだ今二十五で若いし、四十までにはおそくとも出られるから、出たらある人に金をもらう」と語り、三波春夫の歌のメロディで「Yちゃん（被害者の名）殺しはサラリととけぬ」という替え歌をうたっていたという。また、この同房者によると、当時の石川は「共犯がいる」とも発言していたという。ところが、1964年9月10日に東京高裁で開かれた控訴審（裁判長・久永正勝）の第1回公判では、石川は「お手数をかけて申し訳ないが、私は●●さん（被害者の名前）を殺してはいない。このことは弁護士にも話していない」と言い放ち、執拗な取り調べや虚偽の司法取引などにより自白を強要されたことを主張し、一審で認めた犯行を全面否認した。石川が突如として無罪主張に転じた背後には、石川の父親の友人で、石川の補佐人として雇われていた川越出身の部落解放運動家・荻原佑介（自称「部落民連盟、日本監察保安隊」「同胞差別偏見撲滅部落民完全解放自由民主党」代表）の示唆が関与していた。石川の主張によると、自分が一審で犯行を認めたのは、認めれば10年で刑務所から出してやるという警察との「男の約束」を信じたためであるという。しかし、1964年9月に無罪主張に転じ、みずから「男の約束」を反故にした後も石川は知り合いの巡査部長の関にあてて「又日高町に疎開されたそうですが私の家の者が何か関さんに悪くいったのでいずらくなって（ママ）移られたのですか。そうでなければ長年住みついたところを離れるわけがありませんね。もし父や兄がそんな事を言ってたのなら私は残念でなりません。だって関さんに（3人共犯の自白を─引用者註）話したのは関さんから言われたのではなく私から話したのですもの。今度父が面会に来たらそれとなく聞いてみて連絡します」と、みずから進んで自白した旨の友好的な手紙を書き送っている（1965年6月22日付）。また、1965年7月18日にも「実は誠に申にくい（ママ）のですが、先日父が面会に来たので日記帳を宅下げしたのです。そしたら、それを中田先生の所へ持っていったらしく、中田先生から手紙が来て、関さんと絶対会ってはいけないと書いてあったのです。しかし私はそんなことなどかまわないでいましたら一昨日父が来て話すには、弁護士さんに言われたと思うが関さんと会ってはいけない、もし隠れて会ったのが解れば面会に来てやらないと言われたのです。私も日記帳に書き入れなければ良かったのにと今ではじだんだしてます。しかし後の祭りですね。また私としては関さんと会って川越に居た頃のことをお話ししたいのですがそんな訳で私の気持をおさっし下さい」と詫びるハガキを関に送っている。しかし警察に対する石川の感情は後に悪化し、1966年11月22日付の荻原宛の手紙では「私にかわって、内田武文（第一審の裁判長）を綿密にお調べの上、裁判をして、私同様に死刑にしてください」「内田武文を絞首台にあげてください。また、長谷部（警視）、関（巡査部長）の両人も死刑にしてもらいます。この二人は、私がでてからやりますから、取り調べにあたった人の写真を全部送ってもらいたいのですが、警察に頼んでみてください」と呪詛の念を吐露するに至った。1974年10月31日東京高等裁判所は、弁護団の主張を斥けて「無期懲役」の判決を下した。死刑判決を選ばなかった理由について、東京高裁判決は「本件の犯行には右に述べた偶然的な要素の重なりもあって、被告人にとって事が予期しない事態にまで発展してしまった節があると認められること、それまで前科前歴もないこと、その他一件記録に現れた被告人に有利な諸般の情状を考量すると、原判決が臨むに死刑をもってしたのは、刑の量定重きに過ぎて妥当でない」と述べている。二審判決後、弁護団は新証拠をあげて上告したが、1977年8月9日に最高裁は上告を棄却した。その結果、石川の無期懲役が確定し、1977年9月8日、千葉刑務所に下獄した。千葉刑務所での様子は、見沢知廉『囚人狂時代』、金原龍一『31年ぶりにムショを出た』、元死刑囚K・O（カービン銃ギャング事件主犯）『続・さらばわが友』に描写されている。K・Oによると、刑務所当局は石川の支援団体に気を遣い、石川には入所早々から日当たりの良い南側の独居房をあてがう特別待遇をおこない、所内での禁止行為を石川にだけは特別に黙認していたという。石川の愛読書は殺人関係の小説であった。石川はまた、獄中で短歌を作り、「牽牛と織女の再会ドッキング」（七夕）から「淫戯を想して」涎を垂らす旨の歌を詠んでいる。金原によると、千葉刑務所の周辺には週に約1回の頻度で部落解放同盟や中核派や社青同解放派などの支援団体の街宣車が訪れ、「冤罪事件に巻き込まれた石川さん! 今日も頑張ってください!!」などと大音量の拡声器で激励していたのが塀の中まで明瞭に聞こえていたという。石川は「今日は社会党の代議士が会いに来た。面会ではケーキですよ」「今日カンパが300万円届きましてね。これで私の領置金は億を超えました。あなた、出たらぜひ私のところで秘書の仕事をしてください」などと自慢していたために反感を買い、「冤罪を訴えているが実はやってるんじゃないか」と噂されることもあったと金原は伝えている。また見沢によると、千葉刑務所時代の石川は月額数百万円のカンパを貰い、カンパ金で車やビルを買ったといわれる。しかし石川は「いやあ、今月のカンパは少ねえなあ」と笑い、出所の翌日には700万円のオーディオ機器を買ったという。このような石川の行動に対して『解放新聞』編集長の土方鉄は詩人の酒井真右に"狭山""狭山"っていっくらゆったって（ママ）、とても石川君が、この堕落のザマじゃ奪還できる筈もねえよ。と嘆いており、部落解放同盟の内部にも石川を批判する声があった。冤罪論の教宣活動に携わった師岡佑行もまた、石川さんを決して英雄として持ちあげ、権力を弾劾するための道具に仕立てあげることはやめて頂きたい。集会、集会に引き廻すことは、誰よりも石川さんのためにならないと思います。逮捕されるまでの石川さんは普通の青年、というよりも不良少年、いうところのチンピラでありました。獄中生活のなかで目覚め、学力を一歩、一歩高め、立派な文章を書き、短歌をつくる力を養いました。このことは立派です。しかし、だからといって英雄としてたたえるようなことではありません。と牽制している。