2012年3月19日，临沂中院驳回申诉;2012年11月12日，山东省高院再一次驳回申诉。直至2017年，最高法作出再审决定，认定该案“事实不清，主要证据之间存在矛盾”，指令山东省高院再审。
两年后，2019年12月5日，张志超案在山东淄博中院开庭再审。张志超的辩护律师王殿学发表辩护意见，根据山东省检察院提供的新的证据，公安部的鉴定显示，现场没有张志超的任何生物痕迹。张志超四名同学的证言显示，案发当日，张志超参加了早晨的升国旗和跑操，这证明了在一审判决认定的时间内，张志超是不在洗刷间的，也不可能实施强奸杀人的行为。
王殿学的辩护意见显示，证明张志超案发当时在现场的仅有学生王某的证言，但其证言和另一名证人的证言相矛盾。王某的证言显示，当时曾听到女生呼喊“救命”，用了两三分钟的时间从宿舍跑出，看到张志超和王广超在事发洗漱间门口，并发现里面的木门已经锁好了。律师探访发现，王某宿舍距该洗漱间仅有11米。即便王某的证言真实，张志超在如此短的时间里，也不可能完成作案。
王殿学辩护称，原一审判决认定张志超作案的唯一直接证据，就是张志超的供述。而张志超虚假的有罪供述是在刑讯逼供之下形成，依法也应予以排除。
王殿学介绍，12月5日庭审时，检察员认为张志超是否有作案时间存疑，能否在一审判决的时间内完成也存疑，案件事实不清，证据不足，提出疑罪从无，建议山东高院依法改判张志超无罪。作为辩护律师，他认为张志超应该绝对无罪，且有充分证据证明。
马玉萍告诉深一度，当日，同案被判包庇罪的王广超也参加庭审。庭后交谈中，王广超告诉她，因为这个案子被关了一年多，自己曾一度很记恨张志超，现在知道他是冤枉的，也能理解了。
庭审后,马玉萍曾会见张志超,儿子告诉她, 当天自己紧张得都要崩溃了，一天没吃进去饭，“到庭审的最后，我都快要休克了，不知道自己都说了什么，也听不清公诉人最后说了什么，‘建议无罪’几个字却听得清楚。”
如今，提及庭上儿子讲述遭刑讯逼供的情形，马玉萍说：“我一直头疼，整夜不能睡着。这个事情对我们家的伤害不是一天两天的，对我们家是一辈子的伤害，它在你脑子里是有记忆的，你怎么能忘了呢?”
