제2심 재판은 그해 10월 11일 열렸다. 그러나 방청객이 너무 많아 일제는 방청권을 발부하여 방청을 제한하였다. 그럼에도 불구하고 약 백 명 정도의 사람들이 법정을 가득 메웠고, 방청권을 얻지 못한 사람들이 법정 밖에 모여 혼잡한 상황을 연출하였다. 법정에는 선생의 두 동생을 비롯하여 친척들, 그리고 경관강습소의 경부보 50여명과 수십 명의 경찰들이 삼엄하게 경계하였다.
평소와 다름없는 태도로 아침 9시 선생은 씩씩한 모습으로 법정에 출두하였다. 가족들과 변호사의 간곡한 설득 때문에 마음에도 없는 공소를 하였기 때문에 어쩔 수 없이 예심과 제1심의 진술을 번복하지 않을 수 없었던 것이다. 그리고 마츠모토 변호사도 최소한 사형이라도 면해 보기 위해, “송학선이 답변하는 것과 그밖에 여러 가지 태도를 보아 정신이 온전한 사람같이 않으니 상당한 의사에게 그 정신을 한번 감정시켜 보라"고 주장하였다.
다시 11월 3일 제2차 공판이 속개되었는데, 이날도 제1차 공판 때와 같이 일반 방청객들이 입추의 여지가 없었고, 법정 안팎에는 경찰들이 경계를 엄중히 하고 있었다. 이어 검사는 선생이 경찰조서와, 검사국 예심, 제1심에서까지 범행사실과 살의(殺意)가 있었다는 것을 모두 시인하여 왔다는 것을 상기시켰다.
그리고 제1심과 같이 사형을 구형하였다. 이에 마츠모토 변호사는 “순사들을 살상한 것은 정당방위로 볼 수 있고, 타카야마와 사토 등을 사살한 것은 상해치사 또는 상해로 볼 수 있다"고 하면서 정상참작과 박열(朴烈) 의사의 예를 들며, 무기 혹은 유기징역이 마땅하다고 변론하였다.
복심법원의 선고공판이 11월 10일 오전 10시 50분에 경성복심법원 제3호 법정에서 열렸다. 법정에는 엄숙한 긴장감이 감돌았고, 마침내 수에히로(末廣) 재판장으로부터 사형이 선고되었다. ‘사형'이라는 말을 들은 가족들과 일반 방청객들까지 눈물을 지었다. 하지만 정작 사형을 선고받은 선생은 사형이라는 말을 듣고도 조금도 놀라는 기색이 없이 태연한 태도로 재판장에 대하여 고개를 한번 끄덕하고는 자리로 물러가 앉았다. 마치 예상했던 일이라는 듯이 담담하게 받아들였던 것이다.
가족들은 다시금 고등법원에 상고하였다. 선생보다는 가족들이 혹시 살릴 길이 없을까 하고 한 것이었다. 상고심은 1927년 2월 3일 오전 11시 고등법원 대법정에서 열렸다. 오가와(小川) 재판장은 “이유가 없다"고 하면서 상고를 기각하였다.
재판 결과가 예상되었기 때문에 선생은 출두하지 않고 서대문형무소 미결감 독방 안에서 쇠수갑을 차고 있었다.
이제 사형일자만을 남겨두고 있었다. 1927년 5월 19일 오후 2시 서대문형무소 형장에서 경성복심법원 이하라(井原) 검사의 입회하에 쥐도 새도 몰래 선생의 사형이 집행되었다. 사형이 집행된 다음날 일제는 가족들에게 유해를 찾아가라는 통지를 보냈다. 비로소 가족들은 선생이 세상을 떠났다는 것을 알게 되었다. 아버지와 아우들이 선생의 시신을 수습하여 대현(大峴) 화장터에서 화장하였으며, 유골은 그 근방 산에 가매장하였다가 반년 후에 서대문 밖 봉원사에 안치하였다. 결국, 선생은 30세의 한창 나이로 교수대의 이슬로 사라졌지만, 그 거사와 독립의지는 6·10만세운동의 한 계기로 승화되었던 것이다.
정부에서는 선생의 공훈을 기리어 1962년 건국훈장 독립장을 수여하였다.