כאשר מדברים על משפט אייכמן, הכוונה היא להליך שהתקיים בפני בית המשפט המחוזי בירושלים ואשר ריתק את המדינה כולה ושינה תפיסות יסוד לגבי השואה. אך היה לו המשך, חשוב וחיוני לא פחות: ערעורו של אייכמן בפני בית המשפט העליון, אשר נדון בפני הרכב של חמישה שופטים. פסק הדין בערעור עיגן במלוא העוצמה את פסק דינו של המחוזי, ואף קבע הלכות שצוטטו לאורך השנים בהליכים שונים לגמרי.
המחצית הראשונה של פסק הדין עוסקת בטענות המשפטיות שהעלתה ההגנה, ובראשן: חוסר סמכותו של בית המשפט בישראל לשפוט את אייכמן והפרת החוק הבינלאומי בעשותו זאת. ואילו המחצית השנייה הודפת את הטענות העובדתיות ששב והעלה אייכמן, ולפיהן היה רק בורג קטן וממלא פקודות במכונת ההשמדה הנאצית.
"ייאמר מיד: אנו סומכים את ידינו, ללא היסוס וללא הסתייגות, על כל מסקנותיו ונימוקיו [של פסק הדין במחוזי], שכן יש להם בסיס מלא באסמכתאות המשפטיות למכביר, שצוטטו בגוף פסק הדין, ובראיות הרבות שסוננו ונִדְלוּ מתוך חומר ההוכחה המונומנטאלי שהובא במשפט", אמרו שופטי העליון בתחילת פסק דינם.
חמש טענות משפטיות העלתה ההגנה: החוק לעשיית דין בנאצים ובעוזריהם היה חקיקה רטרואקטיבית, על מעשים שנעשו לפני חקיקתו; העבירות בוצעו מחוץ לישראל בידי אזרח זר; היו אלו "מעשי מדינה" שאין להטיל את האחריות עליהם על אדם ספציפי; אייכמן נחטף והובא לישראל בניגוד לרצונו; ושופטים יהודים לא מסוגלים לשפוט אותו בצורה אובייקטיבית.
בית המשפט העליון קובע: ניתן לחוקק חוקים למפרע. הפשעים הנתעבים שביצע אייכמן מונעים ממנו לטעון שלא ידע בשעת מעשה שהוא פוגע בערכי מוסר עולמיים מושרשים, ובית הדין בנירנברג פסק באותה צורה לגבי ראשי המשטר הנאצי. במדינות רבות מאפשר החוק לשפוט ולהעניש אזרחים זרים על עבירות שביצעו מחוצה להן. פשעיו של אייכמן נושאים חותם בינלאומי ונאסרו על-פי משפט העמים, ולכן כל מדינה יכולה להעניש עליהם.
אייכמן היה "'עבריין נמלט' מבחינת
משפט העמים, שכן הפשעים שיוחסו לו נושאים אופי
בינלאומי והוקעו ברבים על-ידי העולם התרבותי", המשיכו שופטי העליון. "לכל מדינה הזכות – מכוח העיקרון של סמכות אוניברסלית – לְדוּנוֹ עליהם. סמכות זו הוקנתה מיניה וביה למדינת ישראל עם הקמתה בשנת 1948 כמדינה ריבונית; לפיכך, בהביאהּ את המערער בפלילים, היא פעלה כאורגן של משפט העמים ועשתה כדי לבצע, באמצעות חוקיה, את הוראותיו של המשפט הזה. מכאן גם, שאין חשיבות לעובדה, כי הפשעים הנדונים בוצעו בזמן שמדינת ישראל לא הייתה קיימת ומחוץ לתחומיה".