Salah satu hujah utama orang yang menentang hukuman mati ialah kemungkinan individu yang tidak bersalah boleh dihukum mati kerana jenayah yang tidak mereka lakukan.

Sejak 1992, lima belas banduan di hukuman mati telah ditetapkan bebas apabila bukti yang baru ditemui telah membebaskan mereka. Bagi kebanyakan orang, ini menunjukkan kemungkinan bahawa lebih ramai banduan hukuman mati boleh dibuktikan tidak bersalah dari semasa ke semasa. Kemajuan moden dalam kajian DNA telah membolehkan saintis dan agensi penguatkuasa undang-undang untuk lebih menentukan pihak yang bertanggungjawab dalam jenayah tertentu dalam banyak kes. Penentang hukuman mati percaya bahawa tiada orang patut dihukum mati kerana, pada masanya, DNA atau bukti lain yang berkaitan boleh membebaskan mereka daripada rasa bersalah.

Beberapa orang dianggap telah dihukum mati secara salah. Pada tahun 1950, seorang lelaki bernama Timothy Evans telah dihukum mati kerana membunuh anak perempuannya. Tiga tahun kemudian, pihak berkuasa mendapati bahawa lelaki lain, yang menyewa bilik dari Evans, adalah pembunuh bersiri dan sebenarnya bertanggungjawab. Kebakaran yang dimulakan oleh seorang pembakar pada tahun 1991 dipersalahkan ke atas Cameron Willingham. Tiga daripada anak perempuannya terkorban dalam kebakaran, dan Willingham menerima hukuman mati. Willingham telah dihukum bunuh pada tahun 2004, tetapi sejak itu, bukti yang pada asalnya dikatakan untuk membuktikan kesalahannya telah terbukti tidak dapat disimpulkan. Walaupun dia tidak bersalah tidak dapat dibuktikan, jika dia tidak dihukum mati, kes itu mungkin telah dibuka semula dan dia mungkin telahdidapati tidak bersalah selepas rayuan.

Salah satu kes yang paling terkenal tentang kemungkinan pelaksanaan salah melibatkan Jesse Tafero, seorang lelaki yang dituduh membunuh dua pegawai polis. Terdapat dua rakan sejenayah terlibat dalam kejadian itu, Walter Rhodes dan Sonia Jacobs. Rhodes memberi keterangan terhadap dua yang lain sebagai pertukaran untuk hukuman penjara ringan. Dia kemudian mengakui bahawa dia adalah satu-satunya pihak yang bertanggungjawab dalam pembunuhan itu, tetapi walaupun dengan keterangan baru, Tafero telah dihukum mati. Ia mengambil masa dua tahun untuk semakan kes Jacobs berlaku, dan selepas itu dia dibebaskan. Adalah dipercayai secara meluas bahawa Tafero juga akan dibebaskan sekiranya dia masih hidup untuk rayuan.