A primeira, ainda ferido, em julho de 2013 foi para se declarar inocente das 30 acusações que pesam contra ele, entre elas a de usar uma arma de destruição em massa com resultado de morte e de atentar em um espaço público; e a segunda em 18 de dezembro em uma breve audiência antes do processo. Segundo a acusação, os dois irmãos Tsarnaev teriam agido sozinhos - lobos solitários radicalizados - e aprendido a fabricar explosivos pela internet a partir de uma publicação da Al-Qaeda.
Djokhar havia escrito em uma parede interna do barco a explicação para seus atos. "O governo americano mata nossos civis inocentes. (...) Nós, muçulmanos, somos um só corpo, se fazem mal a um de nós, fazem mal a todos (...). Parem de matar nossos inocentes e nós pararemos".
Este processo federal é um dos mais importantes desde o realizado contra Timothy McVeigh, executado em 2001 pelos atentados de Oklahoma City em 1995. Tsarnaev será defendido por uma equipe de cinco advogados, entre eles Judy Clarke, especialista em casos que envolvem a possibilidade da pena de morte.