Phiên tòa sơ thẩm được tổ chức tại Tòa án nhân dân tỉnh Bình Dương vào ngày 25 tháng 8 năm 2001.[18] Đây là lần đầu tiên trong lịch sử tư pháp Việt Nam có một bị cáo bị truy tố giết chết 13 người.[5] Truyền thông quốc tế nhận định đây có thể là phiên tòa đầu tiên tại Việt Nam xét xử một kẻ giết người hàng loạt.[19] Lê Thanh Vân bị cáo buộc sát hại 13 người, bao gồm một số thành viên trong gia đình bằng chất độc xyanua trong vòng 4 năm (từ năm 1998 đến năm 2001).[20] Tại phiên tòa, Vân liên tục khẳng định vô tội, cho rằng mình là người tình cờ có mặt tại hiện trường để đưa các nạn nhân đi cấp cứu. Khi Viện kiểm sát công bố lời khai của Vân tại cơ quan điều tra trước đó, cô cho rằng mình bị ép cung.[21][22] Ngày 28 tháng 8, Vân ngất xỉu tại tòa khiến phiên tòa phải bị hoãn lại.[23] Tuy nhiên đến ngày 30 tháng 8 thì có kết luận của bác sĩ cho rằng cô ngất xỉu là do vấn đề tâm lý.[24] Đến ngày 31 tháng 8, đại diện Viện kiểm sát đề nghị mức hình phạt là tử hình đối với Lê Thanh Vân về 3 tội giết người, cướp tài sản và tàng trữ trái phép chất độc; trong khi người tình Dìu Dãnh Quang mức hình phạt 21–24 năm tù về 2 tội giết người và cướp tài sản.[25][26] Sau phiên sơ thẩm, Hội đồng xét xử Tòa án nhân dân tỉnh Bình Dương lần lượt tuyên phạt Lê Thanh Vân mức án tử hình và đồng phạm Dìu Dãnh Quang mức án 21 năm tù.[27] Tòa án kết luận Vân là thủ phạm giết chết 13 người bằng chất độc xyanua, trong khi Quang đóng vai trò giúp sức cho Vân trong vụ giết Trần Văn Khôi.[28]

Sau phiên tòa sơ thẩm, Lê Thanh Vân và Dìu Dãnh Quang đã kháng cáo lên Tòa phúc thẩm Tòa án nhân dân tỉnh Bình Dương yêu cầu xem xét lại vụ án. Trong khi Vân cho rằng mình bị oan thì Quang xin giảm nhẹ hình phạt.[29][30] Phiên phúc thẩm diễn ra vào ngày 1 tháng 2 năm 2005,[31] với việc Lê Thanh Vân chỉ thừa nhận tội "tàng trữ trái phép chất độc" và kêu oan hai tội "giết người” và "cướp tài sản".[32] Kết quả phiên phúc thẩm là y án cho Lê Thanh Vân, giảm án từ 21 năm xuống còn 17 năm cho Dìu Dãnh Quang.[33] Sau phiên tòa phúc thẩm, Lê Thanh Vân đã làm đơn xin ân xá đến Chủ tịch nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam, nhưng yêu cầu này đã bị bác bỏ.[34]