В январе 2005 года в ходе процесса по «первому делу ЮКОСа» в Мещанском суде Москвы Генпрокуратура объявила о начале нового расследования против Михаила Ходорковского и Платона Лебедева. Им вменялось хищение нефти на сумму более 892 млрд руб. и легализация средств от ее продажи.
В декабре 2006 года осужденных на 8 лет по первому делу и отбывавших наказание господ Ходорковского и Лебедева перевели в СИЗО Читы. В феврале 2007 года им предъявлены обвинения по статье 160 (хищение) и 174 (легализация денежных средств или иного имущества) УК РФ. Ознакомление обвиняемых с материалами второго дела, объединенными в 188 томов, было завершено 26 января 2009 года. 16 февраля Генпрокуратура утвердила обвинительное заключение.
24 февраля 2009 года господ Ходорковского и Лебедева доставили в Москву и поместили в «Матросскую тишину». Процесс под председательством судьи Виктора Данилкина стартовал в Хамовническом суде 3 марта 2009 года, слушания по существу начались 31 марта. Чтение обвинительного заключения было завершено 16 апреля. Подсудимые заявили суду, что не поняли предъявленных обвинений.
28 сентября 2009 года начался допрос свидетелей обвинения. Всего с этой стороны выступили 29 человек. 29 марта 2010 года завершилось представление обвинением доказательств по делу. 5 апреля начался опрос свидетелей защиты. Были заслушаны 52 человека, в том числе экс-премьер Михаил Касьянов, бывший глава ЦБ Виктор Геращенко, глава Сбербанка и бывший министр экономического развития и торговли Герман Греф, министр промышленности и торговли Виктор Христенко.
18 мая 2010 года Михаил Ходорковский объявил голодовку в знак протеста против незаконного, по его мнению, продления ареста. Он ссылался на принятые в апреле по инициативе президента Дмитрия Медведева поправки в УПК, запрещающие содержание под стражей обвиняемых в экономических преступлениях. Господин Ходорковский поставил условием прекращения голодовки доведение своего мнения до главы государства. 19 мая после заявления пресс-секретаря президента Натальи Тимаковой о том, что президент в курсе происходящего, обвиняемый прекратил голодовку.
14 октября 2010 года начались прения сторон. Прокуроры заявили, что вина подсудимых полностью доказана, но снизили объем хищения нефти с 350 до 218 млн тонн. В итоге обвинение запросило у суда 14 лет колонии общего режима каждому. 1 ноября стороны обменялись репликами, а 2 ноября с последним словом выступил Михаил Ходорковский. Платон Лебедев от этой возможности отказался.
Всего в ходе процесса прошло 280 заседаний. Обвинение представляли пять прокуроров, защиту подсудимых обеспечивали 13 адвокатов. Чтение приговора было назначено на 15 декабря, но в этот день без объяснения причин перенесено на 27 декабря.