Dommen ble anket til Svea hovrätt, som behandlet saken fra 12. september til 9. oktober 1989. Noen dager etter den rettslige prosessens slutt, ble Pettersson satt fri. Hovretten avsa dom 2. november 1989 der den enstemmig frikjente Petterson. Hovretten pekte på at ingen andre vitner enn Lisbet Palme kunne peke ut Pettersson ved åstedet, mangelen på teknisk bevis (kruttrester, mordvåpen) og at utredningen ikke kunne bevise at Pettersson hadde motiv for å myrde Olof Palme. Det ble stilt spørsmål ved Lisbet Palmes minne av den flyktende gjerningsmannen, ettersom hun ganske sikkert må ha vært opprørt og med oppmerksomheten rettet mot sin ektemann.