11月21日，天津市高级人民法院在大法庭公开审理本案，旁听群众400余人。在法庭上，辩护律师根据已经掌握的大量材料，发表了有理有据的辩护意见，对一审判决的不当之处进行了辩驳，特别对一审判决在适用法律上未按《刑法》第九条“从旧兼从轻”原则提出了异议。
辩护律师中，还有一个漂亮的姑娘，名叫柴翠芬，原来是天津少年宫的一个幼儿教师。作为董师凯律师的助手，在辩护中，她不卑不亢，从容镇定，据理以争，受到好评。后来，担任了司法局律管处副处长，但她极其厌恶做纯行政的管理工作，坚决要求调回第五律师事务所（改制后称作天鼎律师事务所），继续做律师。她回顾说：“二审我们第一轮发表完了辩护意见以后，公诉人确实是提出了若干的反驳意见，挺激烈的。一个是关于直接的领导责任问题，一个是关于马骥祥到了这个局里以后，他是不是不懂业务瞎指挥，导致的这场责任事故的问题。这两个问题是焦点。我们还是坚持了我们的观点。庭审进行了两个小时左右。”
二审法院经审理认定，渤海二号翻沉原因已经查清，交通部鉴定无误。上诉人马骥祥，其主持了局领导碰头会；关于拖航会议否定刘学电报所提合理意见作出的错误决定和大风警报所暴露出的矛盾，并不是高深的技术问题，从安全生产角度讲，作为党委书记兼局长的马骥祥，应慎重对待，由于不认真组织研究，也未制定有效安全措施，致使渤海二号违章冒险降船、拖航，应对事故负主要领导责任。上诉人王兆诸主管钻井，对渤海二号钻井船的安全使用有不可推卸的直接领导责任。
上诉法庭认为：一审判决认定渤海二号是一起重大责任事故，上诉人马骥祥、王兆诸玩忽职守已构成渎职罪，并无不当。但是需要指出的是：渤海二号翻沉事故的发生，与海洋石油勘探局长期以来管理混乱，对渤海二号多次移井位违章拖航不认为是违章作业有关，有客观历史因素，不能令上诉人负全部责任；同时，事故是发生在《刑法》生效以前，根据《刑法》第九条之规定，应予以从轻论处。原审在量刑上对此未加充分考虑有欠妥当。
另外，上诉人马骥祥、王兆诸均是我国石油工业较有经验的专业干部，应给予立功赎罪的机会。为此，1980年11月21日，二审法院根据《刑事诉讼法》作出终审判决：撤销原审判决对上诉人马骥祥、王兆诸处刑部分，改判：
上诉人马骥祥渎职罪处有期徒刑三年，缓刑三年；
上诉人王兆诸渎职罪处有期徒刑三年，缓刑三年；
原审被告人张德经渎职罪处有期徒刑二年，缓刑二年；
蔺永志渎职罪原处刑一年，缓刑一年部分并无不当，予以维持。
