洪述祖也不服判決，上訴至京師高等審判廳，稱燬宋酬勛位只是要與應夔丞同謀損毀宋教仁之名譽，以作其組閣之障礙，非欲將宋教仁殺死，并稱毀宋名譽也非其本心，實系趙總理授意，他作為趙之僚屬，不能不服從。[200]11月8日、23日及12月2日，京師高等審判廳又對此案先后進行了三次審理，[201]認為洪述祖教唆應夔丞殺害宋教仁，征諸全案訴訟記錄，可得積極之證明，該控訴人確系指使應夔丞殺人之教唆犯，證據極為充分，已無研究之余地。其控訴意旨，無非飾詞狡卸，俱難認為有理由，原判決引律定刑于法并無不合，因此判決洪述祖控訴駁回，仍照京師地方審判廳原判辦理。[202]

    京師高等審判廳還附帶審理了宋教仁之子宋振呂私訴一案。宋振呂提出要洪述祖賠償宋教仁死后其在上海及北京所消耗的費用，至少2萬。洪述祖強硬答復：我不但不承認賠償他損失，并且我還要令他賠償我的損失。[203]1919年3月31日，京師高等審判廳判決洪述祖給予宋振呂撫育費1萬元，其余原告請求均駁回。[204]

    洪述祖對京師高等審判廳的判決依然不服，當庭聲明上控大理院。其上控理由，除辯解除鄧及燬宋酬勛位非殺宋之意外，又以應夔丞曾供燬宋系毀宋教仁之政見，武士英曾稱殺宋教仁系自起意，而法庭兩審竟不采用，對此表示不滿；甚至稱其所供與應往來重要各電，多非己稿，法庭認定證據，取舍證據，調查證據，自不能謂為合法。[205]京師高等檢察廳檢察官也向大理院提起上訴，認為：本案就被告人周圍之環象言，乃圖升官發財，純系內欲之不能自制；就被告人本身言，系長時間之謀殺，有大惡性；就被害事實言，宋教仁無何種原因慘遭殺害，第一審僅處以無期徒刑，第二審竟予維持量刑，殊未適當。[206]1919年3月27日，大理院經過書面審理，宣告原判及第二審判決均撤銷，改判洪述祖教唆殺人之所為處死刑，褫奪公權全部三十年。[207]對于改判內幕，據朱德裳《三十年聞見錄》所記：時吾友陳爾錫為大理院推事，嘗為余言：推事中有一老人，性情刻薄。凡上訴之案，若入此人手，必加重。述祖陳大理院案，適分入此人手，遂判絞，加重也。[208]其實，以洪述祖之罪，判其絞刑也算罪有應得。

    在審理過程中，洪述祖態度始終甚為強硬，即使在最后階段，依然聲稱：

    本案發事之起點在地方廳以及本廳均未能質證分明，究竟是起于內，是起于外，是起于南，是起于北，毫不清楚。讓一步言之，述祖即有殺人行為，亦當有首從之分，主動、被動之別。述祖僅立于被指揮之地位，上有指揮人，下有著手人。述祖擔負共同責任就冤得很了，若再負主動責任，更屬屈抑之甚。況述祖處于被指揮地位，動作由人，絲毫不能自主。若謂述祖應負殺人責任，則國務院秘書亦當負責，是以述祖對于原告人之請求是絕對的否認。[209]

    整個審理過程中，洪述祖所采取的策略，一是堅決否認燬宋酬勛位具有殺害宋教仁之意，只承認欲損害宋教仁之聲譽；二是極力把主要責任推到已經死去的袁世凱、趙秉鈞頭上，為此不惜曲解相關函電，強詞奪理，并捏造種種情節。這些在本書中多已論及。然而，任憑洪述祖百般辯解，因與事實不符之處實在太多，結果只是左支右絀，左支右吾，相互抵牾，彌縫無術，適見其狡詐而已。京師地方檢察廳及高等檢察廳對宋案證據的研究，雖然在細節上存在不少缺失，但提出上訴的基本理由是符合事實、具有說服力的，大理院的最終判決結果也是準確的。

    1919年4月5日上午11時，洪述祖在京師第一監獄被綁赴刑場，執行絞刑。行刑時，因其體量過重，加以年力衰邁，筋骨較弱，以致絞繩下墜之頃，即將該犯頭部脫落。當由北京專門醫學校派學生三人到監，將尸身首用線縫合妥帖，即于是日下午由其親屬將尸體領走。[210]洪述祖在京師第一監獄時，恰好《京報》主筆潘公弼因抨擊北洋政府而入該獄，鄒韜奮曾寫《潘公弼先生在北京入獄記》，提到自有分監以來，受特別優待的，潘是第二人，其第一人是洪述祖。洪一定要睡自備的鐵床，自備的彈簧褥子（按洪是大塊頭），一定要用自備的洋馬桶。又說洪為人很古怪，在獄里終日念佛。文中還寫到了洪述祖受刑情況，說：絞刑本用人力絞的，后來特往德國定購絞刑機器，運到中國后，第一人嘗試的就是洪述祖。絞刑本可保全首領的，不料機關一動，頭即下落，迷信的人便說他罪大惡極，命該身首異處。當時洪妾起訴，說洪的罪不至身首異處，分監不能辭咎。但當時那部機器確經司法部驗收，分監無過。后來設法請北京最善于連尸的醫院把洪好好的縫好，所以葬時表面上還是全尸。分監主任還請潘公弼去看洪述祖用過的絞刑機器，據潘說：那部機器看上去并沒有什么希奇。上面垂下一繩，約有一寸粗，打一活結，下面有一塊方木板。犯人受刑時先坐在這塊木板上，有人把犯人的頭套入那個活結圈里。機一動，板落人懸，吊起的時候，人身直豎，便一命嗚呼。洪后實用好幾次，都沒有斷頭的事情，洪獨不免，真是上海人所謂lsquo;觸霉頭。[211]