2010年2月22日、最高裁判所第三小法廷（堀籠幸男裁判長）は旅田の上告棄却を決定した。旅田は同月25日、市議会厚生委員会を欠席し、大阪市内で担当弁護士と会い、今後について相談。収監後も獄中から無実を訴え、再審請求する方針を表明した。同月、1、2審の実刑判決が確定し、地方自治法・公職選挙法の規定により旅田は市議を自動的に失職した。公職にある者が在職中にち収賄罪で実刑となった場合、公職選挙法の規定により刑期中と刑期終了後10年間は公民権停止（選挙権と被選挙権を失う）となる。公民権停止解除は早くとも70歳代後半となる見込みで、事実上政治生命は絶たれた状況となった。一方後援会・支持者などは「冤罪被害者　元和歌山市長　旅田卓宗氏を救う会」を結成し、引き続き旅田の活動を支援する体制を取った。同年3月30日、旅田は和歌山地方検察庁に出頭し、大阪刑務所丸の内拘置支所（和歌山市）に収監された。出頭に際し「政治生命は絶たれた」と語り、政界から身を引く意向を表明した。しかし賄賂については「裁判で贈賄が行われたとされた日に元建設会社社長が来訪していないことを証明する市長来訪名簿のフロッピーデータがある」と主張して物的証拠の存在を示し、「1円も受け取っていない」となお冤罪と訴え、「獄中から無実を訴えていきたい」と語った。贈賄罪で有罪が確定した元建設会社社長に対し、事実と違う供述をしたとして損害賠償を請求する民事裁判を起こすことも明らかにした。また背任に問われた石泉閣について「市議会の再三の議決に基づいて決定した事項は執行する義務がある」と再度主張。違憲判決であるとしてこちらについては憲法訴訟を起こす意向を明らかにした。同年5月28日、加古川刑務所に移送、収監された。刑期中は獄中から「旅田卓宗氏を救う会」関係者に手紙を出し、関係者によりブログ「旅田卓宗の獄中日記」の執筆などを行った。獄中でも無実を訴えていたことから仮釈放は認められなかったという。
1994年の市長選では任期途中での和歌山県知事選出馬を宣言しながらも立候補し、「任期途中での辞職を前提とした「腰掛け立候補」であり市長選を愚弄するもの」との批判と「任期途中での辞職を事前に民意に問うことになりむしろ正しく、別に問題はない」という反論を巻き起こし話題となった。この市長選では市内の浄土真宗本願寺派正光寺住職で元和歌山市議会議長の和田秀教元市議らを破って3期目の当選を果たした後、宣言どおり1995年の県知事選に出馬した。県単独事業として高速道路を新宮まで延伸させるというユニークな公約で注目を集めたものの、暴力団関係者との交流を攻撃され副知事だった西口勇に大差をつけられ落選。加えて翌1996年には運動員が公職選挙法違反で逮捕され、旅田も5年間の県知事選出馬禁止処分を受けた。その一方で、1996年10月20日に行われた第41回衆議院議員総選挙に和歌山県第1区から無所属で立候補し58,119票を獲得したが、中西啓介（新進党、66,428票）に惜敗。自らの後任市長だった尾崎吉弘が逮捕されたことから、1999年1月に行われた出直し市長選で返り咲き4回目の当選を果たした。
1986年の和歌山市長選挙で6期目を目指す現職の宇治田省三に挑む形で出馬、92,407票を得票し宇治田を破って初当選した。都道府県庁所在地の首長としては当時最年少の41歳であった。任期中の1993年4月15日から5月5日には浄化槽清掃区域割りを巡って、清掃業者が一斉にストライキを行うという事態に発展（和歌山市闘争）。この時は旅田自らがバキュームカーを運転して、浄化槽の清掃や屎尿汲み取りの作業を行った。また、1989年には自派の選挙運動員を含む60人を市職員に無試験採用したことにより公職選挙法違反で書類送検されたが（不起訴処分）、1990年の市長選では2期目となる当選を果たしている。しかし、1992年にも市の外郭団体で無試験採用した32人を事務職に配置換えしたことが発覚した。
2014年2月のドバイ・テニス選手権でアリーゼ・コルネに6-3, 6-0で勝利し、プレミア大会としては2010年の同大会に優勝して以来、実に4年ぶりのツアー優勝を飾った。2015年は1月のオークランドの決勝で第1シードのキャロライン・ウォズニアッキに2–6, 6-3, 6-3で勝利し、46個目のWTAツアータイトルを獲得し、幸先の良いスタートを切った。その勢いのまま2015年全豪オープンで4大大会としては、2010年全米オープン以来5年振りにベスト8へ進出した。QFでは同じアメリカの19歳の若手、マディソン・キーズに4-6, 6-3, 4-6のフルセットで敗れ、全豪オープンとしては2003年大会以来、12年振りとなるベスト4進出を逃した。続く全仏オープンでは1回戦で敗れたが、2015年ウィンブルドンでは4回戦に進出した。3回戦に進出した時点で、大会通算勝利数が75勝となり、シュテフィ・グラフを抜いて歴代3位となった。4回戦ではセリーナとの姉妹対決となり、4-6, 3-6で敗れた（セリーナはこの時点でビーナスと並んで大会通算勝利数が76勝となった。最終的には優勝を果たし79勝とした）。全米オープンは、第23シードで出場し、1、2回戦でフルセットを強いられるものの、2010年大会以来5年ぶりのベスト8へ進出。ウィンブルドンに続いて第1シードのセリーナとの対決となり、2-6, 6-1, 3-6で敗れ、ベスト4進出はならなかったが、お互い鋭い打球の打ち合いとなり、ハイレベルな試合であった。ビーナスが1年の4大大会で、2大会以上のベスト8以上を記録したのは2010年以来5年振りとなり、久しぶりの復活を印象付けた。全米オープン後のプレミア5大会の一つ、武漢オープンでノーシードながら、決勝へ進出。2015年ウィンブルドン準優勝者のガルビネ・ムグルサと対戦し、6-3, 3-0とビーナスがリードしたところで、ムグルサが棄権をし、ビーナスがWTAツアー通算47勝目を挙げた。2009年以来（2010年は出場権を得ていたが、怪我で出場辞退）のWTAツアー選手権を目指したが、10位に留まり出場を果たせなかった。その翌週、2014年まで行われていたWTAトーナメント・オブ・チャンピオンズの後継大会として新設されたWTAエリート・トロフィーへ出場。ラウンドロビンを2勝0敗で勝ち上がり、準決勝でロベルタ・ビンチに6-2, 6-2、決勝でカロリナ・プリスコバに7-5, 7-6で勝利し、初代チャンピオンとなった。この勝利で、ツアー年間最終ランキングが7位となり、トップ10復帰を2011年3月以来、年間最終ランキングトップ10を2010年以来に飾った。