2018年8月3日、東京高裁（藤井敏明裁判長）で控訴審の判決公判が開かれ、無期懲役を言い渡した一審宇都宮地裁の裁判員裁判判決を破棄したが、被告人に無期懲役を言い渡した。藤井敏明裁判長は、取り調べの録音録画映像で事実認定した違法性や、殺害の日時場所の事実誤認を指摘して破棄。「状況証拠を総合すれば犯人であると認められる」などとし、一審と同様に無期懲役を言い渡した。弁護団は即日上告した。
殺害現場や殺害状況について、2人の法医学者の証人尋問が行われた。弁護側は分析などから「女児を10回刺した。6～7秒だった」などとする被告人Kの自白と遺体の矛盾点を主張。手足を縛られ立ったままの女児の右肩を左手だけで支えて刺したなどとする点は「力学的にあり得ない」と証言。肩に強くつかまれた圧迫痕がないことも疑問視した。検察側は、「右肩の圧迫痕はすぐに手を離せば残らない」と反論。遺体発見現場に残っていた血液が少ないとの主張については、傷の状況から「体外にはあまり出ない。検視や司法解剖時に漏れることはある」と説明した。
弁護側は、遺体に付いていた粘着テープから、被害者や捜査関係者と異なるDNA型を検出、第三者が事件に関与した可能性があると主張。さらに、そのDNAが真犯人に由来する可能性が極めて高いとした。検察側は、弁護側が根拠とする血液反応の実験は信用できない、鑑定前に指紋を鑑定した際、不特定多数の人のDNAが付着した可能性が高いなどとした。
東京高検が従来の主張の追加として、起訴内容の殺害日時と場所を大幅に広げる異例の訴因変更を東京高裁に請求。殺害場所を「栃木県か茨城県内とその周辺」と広範囲に広げ、日時は女児が下校途中に同級生と別れた時間を起点に「2005年12月1日午後2時38分ごろから同2日午前4時ごろ」とし、約13時間の幅を持たせた。藤井敏明裁判長は、起訴内容の殺害日時、場所を大幅に広げる検察側の追加の訴因変更請求を認める決定をした。
2016年4月8日、宇都宮地裁（松原里美裁判長）で判決公判が開かれ、求刑どおり無期懲役を言い渡した。松原里美裁判長は、焦点だった自白調書の信用性について「自白は具体的で迫真性に富み、根幹は客観的事実と矛盾せず信用できる」と述べた。取り調べの録音・録画について「殺人のことを当初聞かれた時の激しく動揺した様子、気持ちの整理のため時間が欲しいと述べる態度は、事件に無関係の者としては不自然」と信用性を認め、Nシステムの記録、ネコの毛のDNA鑑定結果など、検察側が主張した状況証拠についても検討。「被告人が犯人の蓋然性は相当高いが、犯人と直接結びつけるものではない」としながら、自白調書を重視し有罪を認定した。弁護側は控訴した。
検察側は、女児の遺体に付着していた動物の毛を鑑定した麻布大学獣医学部の教授が検察側の証人として出廷。「毛は猫の毛であり、被告人Kの飼っていた猫と同一のグループのもの」と証言。猫を71グループに分けた場合の同一グループで、570匹調べて0.5％程度の型だったとした。弁護側は、被告人Kが飼っていた猫と矛盾しないとはいえても、同一とは証明できないと反論。「猫は生涯で数十匹の子を産む。同じDNA型を持つ母猫の子孫はたくさんいる」と主張した。
検察側は、公判で採用されるのは異例のNシステムを証拠として提出。宇都宮市鐺山町の国道123号では、午前2時20分に東へ向かい、同6時12分には西に向かって走行していたとし、被告人Kが、自宅のある鹿沼市方面から遺体遺棄現場の茨城県常陸大宮市方面を往復していたことを示す客観的事実の一つとした。弁護側は、Nシステムについて警察官に「Nシステムで記録された地点を車が通過したことは分かっても、その車がどこから来てどこに向かったかは分かりませんよね」と問うと、警察官は「分かりません」と答えた。
弘安6年（1282年）に参議となり、その後、正二位権大納言に至った。大覚寺統（後の南朝）の天皇に近侍し、持明院統（後の北朝）の伏見天皇に近侍した従弟の京極為兼と鋭く対立した。嘉元元年（1303年）後宇多上皇の命を受け『新後撰和歌集』を撰進している。延慶2年（1309年）頃、為兼と勅撰和歌集の撰者の地位をめぐって争い、為世は敗れて為兼が『玉葉和歌集』を撰進することとなった。元応2年（1320年）には後宇多上皇に『続千載和歌集』を撰進している。門弟として地下出身である浄弁・頓阿・吉田兼好・慶運などを育て二条派を広め、自身は二条派の宗匠としてその歌風を完成させた。元徳元年（1329年）に出家し、法名を明融とした。延元3年（1338年）8月5日、89歳で薨去。家集に「為世集」（後人の撰集）がある。また、伝存する為世の自筆として、数枚の短冊と古筆切『五条切』がある。他にも、歌論書『和歌庭訓』がある。『続拾遺和歌集』以下の勅撰和歌集や、『続現葉和歌集』などの私撰和歌集、『嘉元仙洞御百首』『文保御百首』などの定数歌にも多数入集。歌風は平淡美を尊び、余情ある歌を詠んだと評される。