3人の弁護側は、死刑及び無期懲役判決を、事実誤認及び量刑不当を理由に不服として、いずれも名古屋高等裁判所に控訴した。唯一死刑判決を受けたKMは、弁護人とともに翌7月10日付で、HMも、後述の検察側の控訴に対抗して、7月23日付で、KAも控訴期限までに、それぞれ名古屋高裁に控訴した。また、検察側も、KA・HMの無期懲役判決は量刑不当である上に、殺人罪ではなく傷害致死罪と事実認定された、木曽川事件についての事実誤認を理由に不服として、それぞれ3人全員について、名古屋高裁に控訴した。求刑通り死刑判決を受けた被告人について、検察側が控訴したのは、極めて異例だが、名古屋地検は「（KMを含めた）全員について控訴しなければ、犯罪事実が被告人によって異なることになる。放置することはできない」として、求刑通り死刑判決を受けたKMも含めて、控訴期限の7月23日、控訴に踏み切った。
名古屋地裁（石山容示裁判長）で2000年（平成12年）12年27日、第106回公判（論告求刑公判）が開かれ、検察側は3人全員に対し、いずれも死刑を求刑した。この日行われた論告は、5時間半にわたる異例の長時間となり、あまりに残虐な犯行から、検察側は「人間の顔を被ったけだもの」「人間性のかけらもない」「むしろ楽しんで殺した」と、3人を激しく断罪した。その上で、検察側は「（各事件での3人の関与の度合いについて）それぞれの事件で果たした役割に軽重を見出すことはできず、刑事責任は同等」との判断を示した上で、「犯行は、場当たり的に何の落ち度もない4人を殺害したもので、命乞いをしながら嬲り殺された被害者もおり、遺族の悲嘆も強烈」と断罪し、「わずか10日間で4人を殺害した少年犯罪史上、まれに見る凶悪かつ残虐な事件。犯行当時少年とはいえ、3人の反社会性は極めて顕著で、矯正可能性はまったくなく、極刑をもって臨むしかない」「（永山則夫連続射殺事件の第一次上告審で最高裁から示された死刑適用基準「永山基準」を示し）少年による未熟で無軌道な犯行の側面はあるが、それは刑事責任を軽減させられる理由にはできず、3人はすべての条件において死刑選択が許される基準に合致している」と指弾した。閉廷後、Eの父親は「求刑は私の希望した通り。凶悪な少年犯罪が多発する中、適切な判断だ」とコメントし、法廷での3人の姿について「論告を真面目に聞いていない。許せない思いが募る」と怒りを隠さず「死刑になってほしい気持ちは被害者にならないと絶対にわからない。判決も求刑通りになってほしい」と語った。
1998年8月13日までに、名古屋地裁（佐藤学裁判長）は、それまで大阪地検によって起訴され、大阪地裁で開かれてきた大阪事件の審理について、木曽川・長良川事件の審理に併合し、3事件を一括して審理することを決めた。大阪事件についての審理は、KAについては、木曽川・長良川事件の初公判時点までに、名古屋地裁に併合されていた一方、KM・HMの2人については、うち1人は1995年に名古屋地裁に移されたが、その後審理は中断し、もう1人については、大阪地裁で審理が続いていた。併合手続きは、次回公判の1998年9月21日に行われた。次回公判の1998年10月5日、更新手続きの意見陳述が行われた。同日の公判では、大阪事件について、KAが事実関係を認めたが、KM・HM両名は殺意や共謀について否認した。
ヒト特有の大脳半球の左右の機能についての学説は、古い時代のてんかん患者の治療のために行った、脳梁の切除や、手術中に脳に電気刺激などをほどこし患者に質問を行った場合の観察記録から推測された仮説が多い。それらの少ない観察例から拡大解釈されたもの、その拡大解釈をさらに拡大解釈し、歪曲された俗説が非常に多いので注意が必要である。しかしながら、脳専門医の中には、左右の脳半球に機能分布の違いを認める医師もいる。病巣や事故によって損なわれた脳の部位と、外から観察できる機能欠損の関連性に経験則があてはまるからである。また、非常に希なケースを除いて、言語野が大脳左半球に有るのは確かである。一方で、論理的思考について重要な機能が左半球にあるのは確かだが、右大脳の前頭野の欠損によって「順序立った行動」が不可能になった例が、カナダのワイルダー・ペンフィールド医師の姉の報告例などに見られる。他に確認の取れている事実として、まずヒトの大脳では左半球のほうが右半球より若干大きいことや、身体の右側の制御を左半球、左側の制御を右半球が行っていることなどは判明している。脳の左右の大きさの違いは医療機器で即座に確認でき、左右脳と身体の制御の関連性については、脳の欠損半球と、麻痺がおこる身体部位との関連から明らかだからである。しかしながら、脳という器官の複雑性をかんがみた場合、ある能力について、どちらかの半球だけが機能しているといえるほど単純なものではなく、またそれを裏付けるデータもない。大多数の研究者が特定の精神機能の中枢とみなしている領野は今のところ、末梢との神経接続が解剖的に調べられている初期知覚領野・運動野を除けば言語野しかない。さらに左脳と右脳がそれぞれ論理的思考・創造的思考を処理し、もう片方がそれを担当していないという明確な証拠や実験データはない。2010年、脳の神経細胞を三次元的に培養した結果、神経突起の進む方向を決定する成長円錐にある糸状仮足が右回りで伸縮していることが玉田らの研究により明らかとなり、脳の左右の機能差に関連しているのではないかと注目されている。