11月21日，天津市高級人民法院在大法庭公開審理本案，旁聽群眾400餘人。在法庭上，辯護律師根據已經掌握的大量材料，發表了有理有據的辯護意見，對一審判決的不當之處進行了辯駁，特別對一審判決在適用法律上未按《刑法》第九條“從舊兼從輕”原則提出了異議。
辯護律師中，還有一個漂亮的姑娘，名叫柴翠芬，原來是天津少年宮的一個幼兒教師。作為董師凱律師的助手，在辯護中，她不卑不亢，從容鎮定，據理以爭，受到好評。後來，擔任了司法局律管處副處長，但她極其厭惡做純行政的管理工作，堅決要求調回第五律師事務所（改製後稱作天鼎律師事務所），繼續做律師。她回顧說：“二審我們第一輪發表完了辯護意見以後，公訴人確實是提出了若幹的反駁意見，挺激烈的。一個是關於直接的領導責任問題，一個是關於馬驥祥到了這個局裏以後，他是不是不懂業務瞎指揮，導致的這場責任事故的問題。這兩個問題是焦點。我們還是堅持了我們的觀點。庭審進行了兩個小時左右。”
二審法院經審理認定，渤海二號翻沉原因已經查清，交通部鑒定無誤。上訴人馬驥祥，其主持了局領導碰頭會；關於拖航會議否定劉學電報所提合理意見作出的錯誤決定和大風警報所暴露出的矛盾，並不是高深的技術問題，從安全生產角度講，作為黨委書記兼局長的馬驥祥，應慎重對待，由於不認真組織研究，也未製定有效安全措施，致使渤海二號違章冒險降船、拖航，應對事故負主要領導責任。上訴人王兆諸主管鑽井，對渤海二號鑽井船的安全使用有不可推卸的直接領導責任。
上訴法庭認為：一審判決認定渤海二號是一起重大責任事故，上訴人馬驥祥、王兆諸玩忽職守已構成瀆職罪，並無不當。但是需要指出的是：渤海二號翻沉事故的發生，與海洋石油勘探局長期以來管理混亂，對渤海二號多次移井位違章拖航不認為是違章作業有關，有客觀曆史因素，不能令上訴人負全部責任；同時，事故是發生在《刑法》生效以前，根據《刑法》第九條之規定，應予以從輕論處。原審在量刑上對此未加充分考慮有欠妥當。