Phiên tòa phúc thẩm diễn ra vào ngày 28 tháng 4 năm 2009 tại Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự chủ tọa của Tòa Phúc thẩm Tòa án nhân dân tối cao tại Thành phố Hồ Chí Minh. Tòa phúc thẩm đánh giá: "cho dù rằng quá trình điều tra có những thiếu sót về tố tụng của cơ quan tiến hành tố tụng nhưng không nghiêm trọng". Sau khi đánh giá toàn bộ các chứng cứ, HĐXX cho rằng có đủ căn cứ xác định bị cáo Hồ Duy Hải do thua cá độ bóng đá nên đã giết hai nạn nhân Hồng và Vân một cách dã man nhằm cướp tài sản. Từ đó, tòa tuyên giữ nguyên hình phạt tử hình như bản án sơ thẩm.[64][84]

Hội đồng xét xử phúc thẩm

• Thẩm phán - Chủ tọa phiên tòa: Huỳnh Lập Thành
• Thẩm phán: Trương Thị Minh Thơ
• Thẩm phán: Ngô Anh Dũng
• Thư ký Tòa án: Lê Thị Luy (cán bộ Tòa phúc thẩm)
• Đại diện Viện Kiểm sát nhân dân tối cao: Trần Ngọc Lẫm (Kiểm sát viên). Ông Lẫm mất năm 2013.
• Luật sư bào chữa cho bị cáo Hồ Duy Hải: Nguyễn Văn Đạt và Nguyễn Văn Hòa (Đoàn Luật sư Tp Hồ Chí Minh).[64]

Tình tiết vụ án theo bản án phúc thẩm

Theo bản án phúc thẩm số 281/2009/HSPT ngày 28 tháng 4 năm 2009 của Tòa Phúc thẩm Tòa án nhân dân tối cao tại Thành phố Hồ Chí Minh, tình tiết vụ án như sau:

• Khoảng tháng 10 năm 2007, Hồ Duy Hải quen Nguyễn Thị Thu Vân, nhân viên Bưu điện Cầu Voi. Hải thường đặt mua báo Thể thao với Vân, qua đó biết thêm Nguyễn Thị Ánh Hồng, cũng là nhân viên Bưu điện Cầu Voi.[5][64]
• Khoảng 19 giờ 30 ngày 13 tháng 1 năm 2008 Hồ Duy Hải, đi xe máy của bà Nguyễn Thị Rưởi (dì ruột của Hải), đến Bưu điện Cầu Voi, gặp chị Thu Vân đang ngồi làm việc, Hải đi vào phòng khách ngồi trên ghế salon, chị Ánh Hồng mời Hải uống nước và ngồi nói chuyện cùng với Hải.[64][78]
• Khoảng 20 giờ 30, bưu điện nghỉ, chị Vân đi vào phòng trong. Hải đưa tiền và nói với chị Vân đi mua trái cây về để ăn. Khi chị Vân đi, Hải nảy sinh ý định quan hệ tình dục với chị Hồng.[64]
• Hải kéo chị Hồng vào buồng, đẩy chị Hồng nằm ngửa xuống chiếc đi-văng loại xếp, dùng 2 tay nắm 2 tay chị Hồng. Chị Hồng phản ứng, dùng chân đạp vào bụng Hải. Hải buông chị Hồng ra. Chị Hồng ngồi dậy chạy về phía cầu thang khu vực bếp ăn. Hải đuổi theo, kéo tay chị Hồng xô vào góc tường gần chân cầu thang. Chị Hồng kêu lên, Hải sợ bị phát hiện nên dùng tay đánh vào mặt, bóp cổ và đẩy chị Hồng ngã xuống sàn gạch. Hải lấy một cái thớt tròn đập vào vùng mặt, vùng đầu làm chị Hồng bị ngất. Sau đó Hải lấy một con dao inox trên mặt bàn nấu ăn, tay trái nắm tóc, tay phải cầm dao, luồn cắt qua lại 2 cái vào cổ Hồng. Chị Hồng nằm im, Hải ra phòng vệ sinh phía sau nhà để rửa tay và dao cho sạch máu.[64]
• Hải dắt dao vào lưng quần rồi đi vào nhà, đến cầu thang thì thấy Vân đi mua trái cây về. Chị Vân kéo cửa sắt xuống, đóng cửa và đi vào đặt bịch trái cây trên ghế salon. Hải cầm một chiếc ghế xếp inox thủ sẵn. Vân đi xuống phòng sau nhìn thấy Hồng nằm chết thì chạy ngược lên phòng khách. Hải đuổi theo dùng ghế đánh vào đầu làm Vân ngã xuống nền gạch. Hải dùng tay xốc nách Vân, kéo đến chỗ xác chị Hồng. Hải đặt đầu chị Vân trên bụng chị Hồng rồi lấy con dao inox cắt qua lại 2-3 cái vào cổ Vân. Sau đó Hải ra phòng vệ sinh rửa tay, rửa dao rồi đi lên nhà, bỏ dao vào phía trong 1 tấm bảng dựng ở sát vách tường, gần cầu thang.[64]
• Hải lên phòng giao dịch, mở tủ lấy hơn 1 triệu đồng, khoảng 40-50 sim card, đến bàn salon lấy điện thoại Nokia bỏ vào túi quần rồi quay lại chỗ xác, lấy của 2 nạn nhân một số đồ nữ trang bỏ vào túi quần và đi ra cửa sắt phía sau, kéo cửa lại. Hải leo qua hàng rào ngăn giữa sân sau và sân trước, đi xe máy về nhà tắm rửa, giặt quần áo và lấy nữ trang rửa sạch rồi bọc nilong lại để cất giấu.[64][84]
• Ngày 18/1/2008 Hải mang điện thoại và số nữ trang lên Tp Hồ Chí Minh bán được 3,7 triệu đồng.[5][64] Riêng số sim card Hải bỏ vào bọc rác ở gần nhà số 111/2 Trần Bình Trọng, Q5 Tp HCM để phi tang.[64]
• Sau khi gây án một tuần, Hải đốt phi tang quần áo và dây thắt lưng Hải mặc khi gây án tại vườn sau nhà bà Nguyễn Thị Len, dì ruột của Hải.[3][5]