Dù thời tiết giá lạnh nhưng ngay từ sớm đã có rất đông người dân có mặt tại TAND tối cao để theo dõi diễn biến phiên xử này. Hoài được lực lượng Cảnh sát dẫn giải đưa tới Tòa khá sớm. Nhìn thấy cha mẹ và người thân của hai nạn nhân, Hoài cúi đầu nói lời xin lỗi trong sự ân hận muộn màng vì những tội tày trời đối với hai chị em nạn nhân và người thân của hai cháu. Tại phiên tòa sơ thẩm cách đây ba tháng, Hoài bị tuyên phạt tử hình về tội giết người và tử hình về tội hiếp dâm trẻ em.
Ngoài ra, Hoài còn phải nhận một án tù giam 5 năm về tội cướp tài sản. Trước khi phiên tòa xét xử phúc thẩm diễn ra, gia đình bị hại đã có đơn đề nghị giảm nhẹ một phần hình phạt cho Hoài. Nguyên nhân xuất phát từ lòng nhân đạo của gia đình bị hại vì cảm thương người vợ trẻ, con thơ và cha mẹ già của Hoài.
Bản án sơ thẩm xác định, sáng 29/7/2012, Hoài đến xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm, Hà Nội dự lễ cưới người quen. Sau khi uống rượu ở đám cưới, Hoài đi xe máy về thị xã Sơn Tây. Khoảng 15h30', Hoài qua nhà anh H thấy cửa mở nên dừng xe vào trong sân nhà anh H lấy trộm áo để mặc. Nhìn thấy hai bé gái ngồi chơi đùa lại không thấy người lớn ở nhà, Hoài đã thực hiện ý đồ đồi bại với cháu gái 8 tuổi và sát hại cháu gái 4 tuổi. Trong lúc Hoài đang thực hiện hành vi phạm tội thì bị người dân khu vực phát hiện nên đã bỏ chạy ra khỏi nhà và cướp xe máy của người đi đường, nhưng bị quần chúng bắt giữ.
Trong phần thẩm vấn tại phiên tòa phúc thẩm, bị cáo Hoài thành khẩn khai nhận toàn bộ hành vi phạm tội như bản án sơ thẩm đã nêu. Trong phần luận tội, vị đại diện Viện Kiểm sát giữ quyền công tố nhận định, hành vi của bị cáo là đặc biệt nghiêm trọng vì đã tước đoạt trái pháp luật mạng sống của con người và xâm phạm nghiêm trọng đến thân thể của trẻ em được cả xã hội bảo vệ.
Dù gia đình bị hại có đơn xin giảm nhẹ một phần hình phạt tù cho bị cáo và bản thân bị cáo đã có thái độ ăn năn, hối cải sau phiên tòa sơ thẩm cũng như tại phiên xử này, nhưng hành vi phạm tội của bị cáo là đặc biệt nghiêm trọng, gây mất mát quá lớn cho người thân bị hại và tạo ra sự phẫn nộ trong dư luận nên không có cơ sở để giảm án.
Đồng quan điểm với vị đại diện Viện Kiểm sát, Hội đồng xét xử tuyên y án tử hình đối với bị cáo Hoài
