洪述祖也不服判决，上诉至京师高等审判厅，称燬宋酬勋位只是要与应夔丞同谋损毁宋教仁之名誉，以作其组阁之障碍，非欲将宋教仁杀死，并称毁宋名誉也非其本心，实系赵总理授意，他作为赵之僚属，不能不服从。[200]11月8日、23日及12月2日，京师高等审判厅又对此案先后进行了三次审理，[201]认为洪述祖教唆应夔丞杀害宋教仁，征诸全案诉讼记录，可得积极之证明，该控诉人确系指使应夔丞杀人之教唆犯，证据极为充分，已无研究之余地。其控诉意旨，无非饰词狡卸，俱难认为有理由，原判决引律定刑于法并无不合，因此判决洪述祖控诉驳回，仍照京师地方审判厅原判办理。[202]
    京师高等审判厅还附带审理了宋教仁之子宋振吕私诉一案。宋振吕提出要洪述祖赔偿宋教仁死后其在上海及北京所消耗的费用，至少2万。洪述祖强硬答复：我不但不承认赔偿他损失，并且我还要令他赔偿我的损失。[203]1919年3月31日，京师高等审判厅判决洪述祖给予宋振吕抚育费1万元，其余原告请求均驳回。[204]
    洪述祖对京师高等审判厅的判决依然不服，当庭声明上控大理院。其上控理由，除辩解除邓及燬宋酬勋位非杀宋之意外，又以应夔丞曾供燬宋系毁宋教仁之政见，武士英曾称杀宋教仁系自起意，而法庭两审竟不采用，对此表示不满；甚至称其所供与应往来重要各电，多非己稿，法庭认定证据，取舍证据，调查证据，自不能谓为合法。[205]京师高等检察厅检察官也向大理院提起上诉，认为：本案就被告人周围之环象言，乃图升官发财，纯系内欲之不能自制；就被告人本身言，系长时间之谋杀，有大恶性；就被害事实言，宋教仁无何种原因惨遭杀害，第一审仅处以无期徒刑，第二审竟予维持量刑，殊未适当。[206]1919年3月27日，大理院经过书面审理，宣告原判及第二审判决均撤销，改判洪述祖教唆杀人之所为处死刑，褫夺公权全部三十年。[207]对于改判内幕，据朱德裳《三十年闻见录》所记：时吾友陈尔锡为大理院推事，尝为余言：推事中有一老人，性情刻薄。凡上诉之案，若入此人手，必加重。述祖陈大理院案，适分入此人手，遂判绞，加重也。[208]其实，以洪述祖之罪，判其绞刑也算罪有应得。
    在审理过程中，洪述祖态度始终甚为强硬，即使在最后阶段，依然声称：
    本案发事之起点在地方厅以及本厅均未能质证分明，究竟是起于内，是起于外，是起于南，是起于北，毫不清楚。让一步言之，述祖即有杀人行为，亦当有首从之分，主动、被动之别。述祖仅立于被指挥之地位，上有指挥人，下有着手人。述祖担负共同责任就冤得很了，若再负主动责任，更属屈抑之甚。况述祖处于被指挥地位，动作由人，丝毫不能自主。若谓述祖应负杀人责任，则国务院秘书亦当负责，是以述祖对于原告人之请求是绝对的否认。[209]
    整个审理过程中，洪述祖所采取的策略，一是坚决否认燬宋酬勋位具有杀害宋教仁之意，只承认欲损害宋教仁之声誉；二是极力把主要责任推到已经死去的袁世凯、赵秉钧头上，为此不惜曲解相关函电，强词夺理，并捏造种种情节。这些在本书中多已论及。然而，任凭洪述祖百般辩解，因与事实不符之处实在太多，结果只是左支右绌，左支右吾，相互抵牾，弥缝无术，适见其狡诈而已。京师地方检察厅及高等检察厅对宋案证据的研究，虽然在细节上存在不少缺失，但提出上诉的基本理由是符合事实、具有说服力的，大理院的最终判决结果也是准确的。
    1919年4月5日上午11时，洪述祖在京师第一监狱被绑赴刑场，执行绞刑。行刑时，因其体量过重，加以年力衰迈，筋骨较弱，以致绞绳下坠之顷，即将该犯头部脱落。当由北京专门医学校派学生三人到监，将尸身首用线缝合妥帖，即于是日下午由其亲属将尸体领走。[210]洪述祖在京师第一监狱时，恰好《京报》主笔潘公弼因抨击北洋政府而入该狱，邹韬奋曾写《潘公弼先生在北京入狱记》，提到自有分监以来，受特别优待的，潘是第二人，其第一人是洪述祖。洪一定要睡自备的铁床，自备的弹簧褥子（按洪是大块头），一定要用自备的洋马桶。又说洪为人很古怪，在狱里终日念佛。文中还写到了洪述祖受刑情况，说：绞刑本用人力绞的，后来特往德国定购绞刑机器，运到中国后，第一人尝试的就是洪述祖。绞刑本可保全首领的，不料机关一动，头即下落，迷信的人便说他罪大恶极，命该身首异处。当时洪妾起诉，说洪的罪不至身首异处，分监不能辞咎。但当时那部机器确经司法部验收，分监无过。后来设法请北京最善于连尸的医院把洪好好的缝好，所以葬时表面上还是全尸。分监主任还请潘公弼去看洪述祖用过的绞刑机器，据潘说：那部机器看上去并没有什么希奇。上面垂下一绳，约有一寸粗，打一活结，下面有一块方木板。犯人受刑时先坐在这块木板上，有人把犯人的头套入那个活结圈里。机一动，板落人悬，吊起的时候，人身直竖，便一命呜呼。洪后实用好几次，都没有断头的事情，洪独不免，真是上海人所谓lsquo;触霉头。[211]