Một trong những lập luận chính của những người phản đối án tử hình là khả năng những người vô tội có thể bị xử tử vì những tội ác mà họ không phạm phải.

Kể từ năm 1992, đã có 15 tù nhân bị kết án tử hình miễn phí khi bằng chứng mới được phát hiện đã minh oan cho họ. Đối với nhiều người, điều này cho thấy khả năng sẽ có thêm nhiều tử tù được chứng minh vô tội theo thời gian. Những tiến bộ hiện đại trong nghiên cứu DNA đã cho phép các nhà khoa học và cơ quan thực thi pháp luật xác định rõ hơn bên chịu trách nhiệm trong một tội phạm cụ thể trong nhiều trường hợp. Những người phản đối án tử hình tin rằng không ai nên bị xử tử vì theo thời gian, DNA hoặc bằng chứng thích hợp khác có thể giúp họ vô tội.

Một số người được cho là đã bị hành quyết oan. Năm 1950, một người đàn ông tên là Timothy Evans bị xử tử vì tội giết con gái mình. Ba năm sau, các nhà chức trách phát hiện ra rằng một người đàn ông khác thuê phòng của Evans là một kẻ giết người hàng loạt và thực sự phải chịu trách nhiệm. Một vụ hỏa hoạn do một kẻ đốt phá gây ra vào năm 1991 đã bị đổ lỗi cho Cameron Willingham. Ba người con gái của ông đã thiệt mạng trong vụ hỏa hoạn và Willingham nhận án tử hình. Willingham bị hành quyết vào năm 2004, nhưng kể từ đó, bằng chứng ban đầu được cho là chứng minh tội lỗi của anh ta đã được chứng minh là không thuyết phục. Mặc dù không thể chứng minh được sự vô tội của anh ta, nhưng nếu anh ta không bị xử tử, vụ án có thể đã được mở lại và anh ta có thể đã bị xử tử.được tuyên vô tội sau khi kháng cáo.

Một trong những trường hợp có thể bị hành quyết oan nổi tiếng nhất liên quan đến Jesse Tafero, một người đàn ông bị buộc tội giết hai sĩ quan cảnh sát. Có hai đồng phạm tham gia vào vụ việc là Walter Rhodes và Sonia Jacobs. Rhodes làm chứng chống lại hai người kia để đổi lấy một án tù nhẹ. Sau đó, anh ta thừa nhận rằng anh ta là bên chịu trách nhiệm duy nhất trong vụ giết người, nhưng ngay cả với lời khai mới, Tafero vẫn bị xử tử. Phải mất hai năm để xem xét trường hợp của Jacobs, và sau đó cô ấy được trả tự do. Nhiều người tin rằng Tafero cũng sẽ được trả tự do nếu anh ta vẫn còn sống để kháng cáo.