به گزارش مجله تاریخ فرادید، دکتر مصدق در جلسه قرائت حکم دادگاه درخواست فرجام خواهی خود را مطرح کرد و از سرهنگ بزرگمهر وکیل تسخیری خود خواست تا تقاضای تجدیدنظر در رأی صادره را اعلام نماید؛ وکیل مذکور نیز طی نامه ای در ۲ دی ماه ۱۳۳۲ به دادگاه تجدیدنظر تقاضای موکلش را به اطلاع مقامات مربوطه رساند.
اولین جلسه دادگاه تجدید نظر نظامی در تاریخ ۱۹ فروردین ۱۳۳۳ در باشگاه پادگان قصر تشکیل شد. مصدق موضوع صلاحیت دادگاه را بار دیگر مطرح و اعلام کرد جای محاکمه اعضای کابینه (نخست وزیر و وزیران) دیوان عالی کشور است نه محکمه نظامی.
او در جلسات دادگاه بدوی نیز دفاعیات خود را بر پایه عدم صلاحیت دادگاه نظامی مطرح و سعی می کرد با دلایل حقوقی و گاه با سخره گرفتن یا عتاب و بعضا بی اعتنایی به دادگاه اعتبار دادگاه را زیر سوال ببرد؛ ژست‌ها و حرکات جالب وی در طول جلسات دادگاه نیز در آن زمان به سوژه عکاسان و جراید تبدیل شده بود.
دادگاه تجدید نظر سرانجام در ۲۲ اردیبهشت به کار خود پایان داد و در این روز سرلشکر جوادی رئیس دادگاه تجدیدنظر ختم آخرین جلسه دادرسی را اعلام کرد. بدین ترتیب پس از بیست و شش جلسه بحث و بررسی، هیئت دادرسان برای اعلام رأی دادگاه وارد شور شدند و بعدازظهر همان روز دادگاه رأی خود را اعلام کرد و به این ترتیب پرونده محاکمه نخست وزیر معزول ایران بسته شد.
رای دادگاه تجدید نظر از این قرار بود: … اعمال و افعال مشارالیه از ساعت یک روز ۲۵ الی ۲۸ مرداد منفرداً و مجتمعاً به طور واضح و روشن منطبق با ماده ۳۱۷ قانون دادرسی و کیفر ارتش بوده و با در نظر گرفتن اینکه دادستان ارتش از حکم دادگاه بدوی تقاضای تجدید نظر نموده، نامبرده به استناد ماده ۳۱۷ قانون دادرسی و کیفر ارتش و رعایت ماده ۴۶ قانون کیفر عمومی از لحاظ تجاوز سن او از شصت سال محکوم است به سه سال حبس مجرد و باید مدتی را که از تاریخ ۲۹ مرداد ۱۳۳۲ بازداشت بوده در حساب محکومیت او منظور نمود.