Et af de primære argumenter fra folk, der er imod dødsstraf, er muligheden for, at uskyldige personer kan blive henrettet for forbrydelser, de ikke har begået.

Siden 1992 er 15 fanger på dødsgangen blevet løsladt, da nyopdagede beviser har frikendt dem. For mange indikerer dette en mulighed for, at flere indsatte på dødsgangen kan bevises uskyldige med tiden. Moderne fremskridt inden for DNA-undersøgelser har gjort det muligt for forskere og retshåndhævende myndigheder bedre at bestemme den ansvarlige part i en bestemt forbrydelse i mange tilfælde. DødsstrafModstanderne mener, at ingen person bør henrettes, fordi DNA eller andre relevante beviser med tiden kan frikende dem for skyld.

Flere mennesker menes at være blevet henrettet med urette. I 1950 blev en mand ved navn Timothy Evans henrettet for at have myrdet sin datter. Tre år senere opdagede myndighederne, at en anden mand, der lejede et værelse af Evans, var seriemorder og faktisk ansvarlig. En brand startet af en brandstifter i 1991 fik skylden Cameron Willingham. Tre af hans døtre omkom i branden, ogWillingham fik dødsstraf. Willingham blev henrettet i 2004, men siden da har beviser, der oprindeligt skulle bevise hans skyld, vist sig ikke at være fyldestgørende. Selvom hans uskyld ikke kan bevises, kunne sagen være blevet genåbnet, hvis han ikke var blevet henrettet, og han kunne være blevet frikendt efter en appelsag.

En af de mest kendte sager om mulig uretmæssig henrettelse involverer Jesse Tafero, en mand anklaget for at have myrdet to politibetjente. Der var to medskyldige involveret i hændelsen, Walter Rhodes og Sonia Jacobs. Rhodes vidnede mod de to andre i bytte for en mild fængselsstraf. Han indrømmede senere, at han var den eneste ansvarlige part i mordene, men selv med den nyeDet tog to år, før Jacobs' sag blev taget op til fornyet behandling, og bagefter blev hun løsladt. Det er en udbredt opfattelse, at Tafero også ville være blevet løsladt, hvis han stadig var i live og kunne nå at appellere.