在刘仁旺不服判决上诉的同时，附带民事诉讼原告对赔偿数额不满，也提出上诉。2011年4月25日，山西高院将本案发回重审。
2012年4月12日，吕梁中院重审此案，仍认定刘仁旺构成故意杀人罪，不同的是将刑期由死缓改判为无期。对比前后两次判决书，这次审理并未增加新证据。
刘仁旺再次上诉，附带民事诉讼原告也同样提出上诉。2012年12月6日，山西高院再次将本案发回重审。
2013年12月27日，吕梁中院第三次审理此案，改判刘仁旺无罪。
核心物证和口供被法院排除
吕梁中院第三次审理此案时，启动了非法证据排除程序，此前两次判决中的关键证据，刘仁旺的有罪供述和物证双手擦拭物，最终被排除。
判决书显示：刘仁旺的有罪供述，讯问地点不合法。
根 据中阳县公安局的补侦报告、中阳县看守所的情况说明，刘仁旺关于其一人作案的2次有罪供述，和关于其伙同李克忠作案的6次有罪供述均在看守所之外取得。除 此之外，刘仁旺还有2次被提出看守所：2009年1月9日刑警队提出，当晚回押，无讯问笔录等书面材料，无体检记录；次日又被刑警队提出，10天后回所。 无讯问笔录，体检记录载明“后脖子有伤，下巴下有伤、额头有伤，鼻梁侧有伤、双手腕有伤、双肩膀疼痛”。
吕梁中院认为尽管侦查人员提供书面材料并出庭作证，证明未对刘仁旺刑讯逼供，刘之伤系拒捕造成，但不能排除刘仁旺的有罪供述是刑讯逼供等非法方法收集的，按照刑诉法规定予以排除。
对于物证，吕梁中院则认为，刘仁旺双手擦拭物的提取笔录无见证人，且无法补正，尽管公诉机关提供了侦查人员的情况说明，证明因当时天黑无法找到见证人，该解释理由并不充分，按照刑诉法规定予以排除。而刘仁旺双手擦拭物的鉴定意见，因检材来源不明，依法不能作为定案依据。
除此之外，刘仁旺供述的同案犯一直没有找到，且作案枪支、手电、摩托车未也都未找到。
改判后，2014年1月2日，吕梁检察院提出抗诉。在刑事抗诉书中，检方认为，法院判决以排除非法证据为由，片面排除被告人刘仁旺的有罪供述及相关鉴定结论，导致认定事实、适用法律、定性等确有错误。
针对吕梁中院排除的非法证据，抗诉书称，刘仁旺的有罪供述系山西省公安厅、吕梁市公安局、中阳县公安局侦查人员共同讯问时所供，刑讯逼供可能比较小……讯问刘仁旺的地点在中阳县朱家店宾馆，是中阳县公安局根据当时的实际情况确定的工作地点，并不违法。
此后在山西高院审理期间，山西省检察院认为抗诉不当，撤回抗诉。
