Суд над ним, начатый 14 апреля 1992 года, проходил в Ростовском доме правосудия. Чикатило пытался изобразить сумасшествие: кричал, оскорблял судей и присутствующих в зале, обнажал половые органы, утверждал, что он беременный и кормящий. Но судебно-психиатрическая экспертиза, проводившаяся трижды, показала его полную вменяемость. 15 октября его приговорили к смертной казни
(многостраничный приговор начали читать 14 октября и закончили только на следующий день). Три убийства следствие не смогло доказать, поэтому официальное число его жертв — 53. Кроме того, Чикатило вменялось несколько случаев растления несовершеннолетних.
Находясь в камере смертников, Чикатило писал многочисленные жалобы и просьбы о помиловании, следил за своим здоровьем: делал зарядку, с аппетитом ел.
4 января 1994 последняя просьба о помиловании на имя Президента России Бориса Ельцина была отклонена. 14 февраля Чикатило был казнён в Новочеркасской тюрьме.
Чикатило после ареста 20 ноября 1990 года. Кадр из милицейской видеосъемки