Phiên tòa phúc thẩm diễn ra vì có kháng cáo của bị cáo Nguyễn Mạnh Tường. Phiên tòa có sự tham gia của đại diện Viện Kiểm sát cấp cao tại Hà Nội, luật sư bảo vệ quyền và lợi ích hợp pháp cho bị cáo, đại diện gia đình bị hại... Mặc dù không có đơn kháng cáo nhưng Đào Quang Khánh (đồng phạm) vẫn được dẫn giải tới Tòa với vai trò là nhân chứng.
Tại phiên tòa, bị cáo Tường vẫn giữ nguyên quyết định kháng cáo nhưng không kêu oan mà chỉ xin giảm nhẹ hình phạt. Trong đơn kháng cáo, bị cáo Nguyễn Mạnh Tường ghi: “Việc xét xử tôi là chưa đúng tội danh, làm cho tội chồng thêm tội và tuyên phạt tôi quá nặng. Cáo trạng có nhiều điểm không đúng. Tôi kháng cáo toàn bộ bản án”.
Vì vậy, bị cáo Tường đề nghị Tòa phúc thẩm Tòa án nhân dân Tối cao xem xét lại bản án. Đơn kháng cáo này được Tường viết ngày 17/12/2014 và được chuyển từ Trại tạm giam đến Tòa án nhân dân thành phố Hà Nội.
Trong phần luận tội, đại diện Viện Kiểm sát cấp cao tại Hà Nội cho rằng: Tại phiên phúc thẩm, lời khai của Tường không có gì mới. Việc Tòa sơ thẩm tuyên tịch thu chiếc ô tô, phương tiện chở xác chị Huyền là chính xác. Vì thế, cơ quan công tố đề nghị giữ nguyên các phán quyết của án sơ thẩm.
Căn cứ vào các chứng cứ và thẩm vấn tại phiên tòa, xét thấy lời khai của bị cáo Tường tại phiên tòa phù hợp với lời khai trước đây, vì vậy Hội đồng xét xử có đủ cơ sở kết luận: Việc vợ chồng Nguyễn Mạnh Tường mở Thẩm mỹ viện Cát Tường và khám chữa bệnh cho chị Huyền là vi phạm quy định về khám bệnh, chữa bệnh, trái pháp luật. Kháng cáo của bị cáo là không có căn cứ. Hậu quả chết người tại cơ sở thẩm mỹ viện, Nguyễn Mạnh Tường phải chịu trách nhiệm.
Về kháng cáo đòi lại nửa chiếc xe ô tô mà Tường sử dụng chở xác nạn nhân đi vứt là không có căn cứ. Bởi chị Nguyễn Thị Hằng (vợ của Tường) cũng tham gia vào quá trình đưa xác nạn nhân đi phi tang.
Hội đồng xét xử quyết định không chấp nhận kháng cáo của Nguyễn Mạnh Tường và những người có quyền và nghĩa vụ liên quan, giữ nguyên bản án sơ thẩm.
Theo đó, tuyên phạt Nguyễn Mạnh Tường 14 năm tù về tội “Vi phạm quy định về khám bệnh, chữa bệnh, sản xuất, pha chế thuốc, cấp phát thuốc, bán thuốc hoặc dịch vụ y tế khác”, 5 năm tù tội “Xâm phạm thi thể, mồ mả, hài cốt”.
Tổng hình phạt cho cả hai tội là 19 năm tù giam. Cấm hành nghề 5 năm sau khi mãn hạn tù. Tịch thu, sung công quỹ chiếc ô tô mà Tường sử dụng chở xác nạn nhân Huyền đi phi tang.