Pada 23 Ogos 2013, Mahkamah Rayuan melepas dan membebaskan Azilah dan Sirul Azhar daripada pertuduhan membunuh Altantuya. Tiga anggot panel hakim iaitu Datuk Seri Mohamed Apandi Ali, Datuk Linton Albert dan Datuk Tengku Maimun Tuan Mat sebulat suara mengetepikan hukuman mati yang dikenakan oleh Mahkamah Tinggi Shah Alam selepas membenarkan rayuan mereka terhadap pensabitan dan hukuman.Hakim Datuk Md Apandi Ali mengetuai panel tiga hakim yang mendengar rayuan tersebut.

Bagaimanapun, penghakiman itu dibacakan oleh Hakim Datuk Tengku Maimun Tuan Mat yang memutuskan berlaku penyalaharahan yang serius oleh hakim Mahkamah Tinggi dalam mensabitkan mereka. Ia termasuk tidak memanggil DSP Musa Safri, dan kegagalan untuk mengemukakan diari balai polis yang menyatakan bahawa Azilah (kiri) berada di Bukit Aman pada masa berkenaan.Seorang lagi anggota panel hakim tersebut ialah Datuk Linton Albert. Azilah diwakili oleh peguam Hazman Ahmad dan J Kuldeep Kumar, manakala peguam Kamarul Hisham Kamaruddin dan Hasnal Rezua Merican mewakili Sirul.

Timbalan Peguamcara Negara III, Datuk Tun Abdul Majid Tun Hamzah mengetuai pasukan pendakwaraya yang turut dianggota DPP Manoj Kurup dan Noorin Badaruddin.

Dalam penghakiman, mahkamah mengemukakan lapan alasan bagi pembebasan Azilah dan Sirul Azhar. Menurut Hakim Tengku Maimun:

• mengenai alibi pembelaan Azilah Hadri, mahkamah tidak menemui mana-mana dalam alasan penghakiman hakim perbicaraan yang beliau telah menimbangkan sama ada diari stesen menunjukkan atau cenderung menunjukkan tentang kehadiran Azilah pada masa berkenaan dan dia tidak akan boleh atau tidak mungkin berada di tempat kejadian jenayah.

• Melihat kepada keadaan keseluruhan kes ini, pertimbangan kami ialah kesan kumulatif bukan arahan oleh hakim perbicaraan yang bijaksana itu menjadikan sabitan perayu tidak selamat. Kami sebulat suara membenarkan kedua-dua rayuan ini.

• Mahkamah mendapati Hakim Mahkamah Tinggi Datuk Mohd Zaki Md Yasin tidak membuat sebarang dapatan mengenai sama ada pihak pendakwa telah membuktikan mengenai kewujudan perancangan awal oleh dua anggota polis itu untuk melakukan pembunuhan dan pembunuhan itu dilakukan rentetan daripada perancangan awal itu. Ketiadaan dapatan sebegitu oleh hakim perbicaraan yang bijaksana mengenai ramuan niat bersama yang membawa kepada penyalaharahan dengan cara tanpa arahan.

• Mengenai log panggilan dan ramalan liputan, beliau berkata mahkamah mendapati keterangan oleh tiga saksi daripada beberapa syarikat telekomunikasi telah membawa kepada isu kebolehpercayaan dan ketepatan log panggilan dan ramalan liputan.

• Amat penting untuk hakim perbicaraan menumpukan pada cabaran dibangkitkan oleh pihak pembelaan mengenai eksibit dan untuk membuat dapatan sama ada terdapat pindaan atau gangguan terhadap data dan sama ada ketulenan data boleh dipersoalkan atau tidak.Apa yang dikesalkan, hakim mahkamah tinggi gagal berbuat demikian, yang dalam penghakiman kami adalah penyalaharahan yang serius sehingga tidak boleh bergantung kepada eksibit itu yang dikatakan tidak kukuh.

• Mahkamah memutuskan hakim perbicaraan juga tidak memberi perhatian dan tidak memeriksa sama ada wujud percanggahan dan ketidakkonsistenan keterangan saksi-saksi pendakwa.

• Hakim perbicaraan juga tidak memeriksa kredibiliti saksi-saksi pendakwa dan tidak memberi perhatian sama ada Azilah dan Sirul Azhar telah menimbulkan keraguan mengenai ketepatan kenyataan mereka mengikut Seksyen 27 Akta Keterangan 1950.

• Hakim perbicaraan tidak memikirkan sama ada penemuan tempat jenayah dan barangan kemas si mati adalah hasil daripada maklumat diberikan oleh dua anggota polis itu dan bukannya daripada sumber lain.

• Mendapati berlaku keadaan tanpa arah oleh hakim perbicaraan apabila gagal menilai keterangan sebelum menerima kenyataan itu mengikut Seksyen 27.

• Mahkamah mendapati tiada sebarang keterangan untuk menunjukkan sebarang kaitan antara selipar dengan kesan darah Altantuya yang ditemui dalam jip Sirul Azhar, dengan beliau (Sirul Azhar).

• Pihak pendakwa tidak menutup jurang dalam kesnya dalam isu itu.

• Serupa juga dengan katrij yang ditemui dalam kereta Sirul Azhar yang merupakan tertuduh kedua, mahkamah mendapati wujud jurang dalam kes pendakwa di mana hakim perbicaraan gagal memberikan perhatian.

• Akhir sekali, mahkamah memutuskan kegagalan pihak pendakwa memanggil atau menawarkan pemeriksaan balas ke atas DSP Musa Safri yang ketika itu pengawal Timbalan Perdana Menteri Datuk Seri Najib Tun Razak, mungkin mencetuskan inferens berbeza di bawah Seksyen 114 (g) Akta Keterangan, terhadap pihak pendakwa.

• "Ingin dinyatakan, dengan tidak memanggil DSP Musa, mengenai fakta kes ini, sedangkan keterangan DSP Musa amat penting untuk mendedahkan naratif bahawa kes pendakwa berdasarkan apa,"

Bagaimanapun, pihak pendakwa akan mempunyai peluang untuk merayu di Mahkamah Persekutuan - mahkamah tertinggi di negara ini.[25]