Ngày 20/4/2005, Mạnh bị bắt theo lệnh truy nã của Công an tỉnh Đồng Nai do hành vi cướp tài sản và bỏ trốn (vụ án khác). Ngày 23/4/2005, Mạnh từ trong trại tạm giam gửi cho bố với nội dung nhận là thủ phạm gây án với bé Linh với nội dung: "Con đã nhận hết tội, nhờ bố sang xin lỗi gia đình cháu và bồi thường thiệt hại...". Thư này bị nhà chức trách thu giữ, dùng làm căn cứ buộc tội.
Từ năm 2005 đến 2008, Mạnh đã bị 3 lần xét xử sơ thẩm, 3 lần phúc thẩm và một lần giám đốc thẩm. Trong tất cả phiên tòa, Mạnh đều phản cung, tố cáo bị điều tra viên và các bạn cùng phòng đánh bắt nhận tội. Mạnh cho rằng thời điểm xảy ra án mạng, anh ta đang đi làm giúp em gái Lê Thị Nhài nên có bằng chứng ngoại phạm. HĐXX căn cứ chủ yếu vào bức thư để khép tội trong khi thư là do bị 2 phạm nhân cùng buồng ép viết.
Trong bản kháng nghị giám đốc thẩm số 12 ngày 23/4/2007, Viện Kiểm sát nhân dân Tối cao cũng cho rằng “cơ quan điều tra mắc nhiều thiếu sót, mâu thuẫn và chưa có cơ sở vững chắc để kết luận Lê Văn Mạnh phạm tội Giết người, Hiếp dâm trẻ em”.
Theo Viện, vật chứng duy nhất là chiếc quần sooc rách được Mạnh thay ra vứt bỏ gần hiện trường khi đi mò xác Linh được xác định mất giá trị chứng cứ buộc tội với Lê Văn Mạnh. Ngoài ra, cơ quan điều tra cũng chưa xác định cụ thể hiện trường gây án ở đâu; nạn nhân chết do nguyên nhân trực tiếp (chết ngạt, đánh đập hay hiếp dâm)… Tình tiết ai đánh đập, ai ép cung bị cáo cũng chưa được làm rõ.
Hơn một năm sau, trong hai phiên tòa của 2 cấp mở trong năm 2008, tòa án vẫn xác định Mạnh có tội, tiếp tục tuyên án tử hình.
Theo luật sư đại diện kêu oan cho Mạnh, trong các bản án sơ thẩm cũng như phúc thẩm không có chứng cứ nào khác ngoài lời nhận tội của bị cáo, mà chính bị cáo phủ nhận toàn bộ tại phiên tòa. "Điều này đã vi phạm quy định tại khoản 2 điều 72 Bộ luật Tố tụng hình sự năm 2003: Không được dùng lời nhận tội của bị can, bị án làm chứng cứ duy nhất để kết tội", luật sư trình bày trong đơn đề nghị hoãn thi hành án tử hình với Mạnh.
Ngày 16/10, trước thông báo của TAND tỉnh Thanh Hóa về việc thi hành án tử hình, gia đình bị cáo Mạnh tiếp tục gõ cửa các cơ quan chức năng kêu oan.
Ngày 26/10, trả lời VnExpress, ông Đàm Cảnh Long (Phó trưởng phòng Giám đốc kiểm tra phụ trách thi hành án hình sự, TAND tỉnh Thanh Hóa) cho biết hiện Hội đồng thi hành án tử hình chưa họp để đưa ra quyết định về các vấn đề liên quan tử tù Lê Văn Mạnh./.
