Treholt anket dommen fra lagmannsretten til Høyesterett, men han trakk anken under forhandlingene i Høyesterett i 1986, og lagmannsrettsdommen ble dermed endelig. Treholt har fire ganger begjært straffesaken sin gjenopptatt, og fått avslag alle gangene. Den siste begjæringen ble avslått av Kommisjonen for gjenopptagelse av straffesaker i 2011, etter at Geir Selvik Malthe-Sørenssen, en privatetterforsker engasjert av Treholt, hevdet at bevisene i Treholt-saken var fabrikkert. Malthe-Sørenssen ble i 2016 avslørt for å ha fabrikkert beviser som angivelig skulle renvaske Treholt og ble i 2018 dømt til tre års fengsel for omfattende bedrageri og dokumentfalsk i flere saker. Treholts begjæringer om gjenopptagelse ble også avvist av Høyesteretts kjæremålsutvalg i 1988 og 1992 og av Kommisjonen for gjenopptagelse av straffesaker i 2008.