Vụ án về người có biệt danh "bà mẹ bị ghét nhất nước Mỹ" bắt đầu vào ngày 15/7/2008, khi Cindy Anthony, mẹ của Casey, hoảng loạn gọi điện cho sở cảnh sát thành phố Orlando, bang Florida, để trình báo về việc cháu gái 2 tuổi Caylee đã mất tích 31 ngày, đồng thời tố cáo bị Casey ăn cắp xe và một ít tiền. Casey khai với cảnh sát rằng cô gửi Caylee tại căn hộ của một người giữ trẻ tên là Zenaida Gonzalez, nhưng cả hai đều mất tích khi cô trở lại. Tuy nhiên, khi cảnh sát tìm tới Gonzalez, người này cho biết chưa bao giờ gặp Casey hay Caylee. Casey còn nói cô làm việc tại Universal Studios, nhưng khi bị cảnh sát đưa đến địa điểm này để điều tra, cô thừa nhận nói dối về nghề nghiệp. Ngày 16/7, Casey bị bắt với cáo buộc khai man, có khả năng lạm dụng trẻ em và cản trở điều tra hình sự. Các nhà điều tra pháp y sau đó phát hiện dấu vết thuốc mê trong cốp chiếc xe mà bà Cindy tố cáo Casey đánh cắp, cùng một số chứng cứ tiềm năng cho thấy chỗ này từng giấu xác người phân hủy. Ngày 14/10/2008, Casey bị truy tố 7 tội danh, bao gồm giết người cấp độ một, lạm dụng trẻ em nghiêm trọng, ngộ sát và khai man, nhưng cô khẳng định mình vô tội. Tới tháng 12 cùng năm, hài cốt của Caylee được tìm thấy tại khu rừng gần nhà của gia đình Anthony, đựng trong một túi rác cùng với tã, chăn và quần áo trẻ em, có một miếng băng dính trên sọ. Hồi tháng 4/2009, các công tố viên tuyên bố họ dự định đề nghị án tử hình đối với Casey. Trong phiên tòa xét xử Casey vào tháng 5/2011, họ cáo buộc cô chuốc mê con gái, rồi dán băng keo vào mũi và miệng khiến bé ngạt thở, sau đó giấu thi thể trong cốp xe vài ngày trước khi đưa vào rừng. Tuy nhiên, Jose Baez, luật sư bào chữa cho Casey, cho biết Caylee vô tình chết đuối trong bể bơi của gia đình vào ngày 16/6/2008, nói thêm rằng George Anthony, cha của Casey, đã giúp cô giấu xác. Baez còn bảo vệ thân chủ bằng cách tiết lộ Casey từng bị cha và anh trai lạm dụng tình dục, biện hộ rằng cô che giấu cái chết của con gái cũng giống như cách cô vẫn im lặng về bí mật đó bấy lâu nay. George kiên quyết phủ nhận các cáo buộc của Baez. Quá trình xét xử kéo dài khoảng 6 tuần. Phiên tòa cuối cùng vào ngày 5/7/2011 được truyền hình trực tiếp trên toàn quốc với lượng người xem khổng lồ. Người dân cũng lấp kín chỗ ngồi của phòng xét xử và tập trung đông đúc bên ngoài tòa án. Sau 10 giờ 40 phút thảo luận, bồi thẩm đoàn gồm 12 người tại Tòa Phúc thẩm Khu vực số 9 bang Florida tuyên bố Casey trắng án với tội danh giết người và ngộ sát, chỉ buộc tội cô khai man với mức án 4 năm tù và nộp phạt 4.000 USD. Casey được phóng thích vào ngày 17/7/2011 do tính cả khoảng thời gian bị giam chờ tuyên án. Jennifer Ford, một trong các bồi thẩm viên, cho biết họ đã khóc và cảm thấy vô cùng đau lòng sau khi phán quyết được đưa ra. "Tôi không nói cô ta vô tội, mà chỉ là không đủ bằng chứng. Nếu không thể chứng minh tội danh, bạn cũng không có căn cứ xác định hình phạt", Ford nói. ADN của Casey không được tìm thấy trên miếng băng dính hay bất cứ vật nào khác. Theo Ford, giả thuyết bé gái 2 tuổi vô tình chết đuối đáng tin hơn những bằng chứng các công tố viên đưa ra, bởi còn quá nhiều câu hỏi chưa được giải đáp cho khả năng này, như Casey đã làm cách nào để chuốc mê và giấu con trong cốp xe mà không bị ai nhìn thấy. Jeff Ashton, một công tố viên ở Florida, nhận định bên cạnh việc không có bằng chứng, nguyên nhân cái chết cũng là lý do quan trọng dẫn tới quyết định của bồi thẩm đoàn. Thi thể của Caylee phân hủy tới mức quá trình khám nghiệm tử thi không thể tìm ra nguyên nhân chết, chỉ kết luận rằng bé gái bị giết bằng biện pháp không xác định. Robert Shapiro, luật sư tại Los Angeles, giải thích rằng hệ thống tư pháp hình sự dựa trên hiến pháp của Mỹ ưu tiên bảo vệ người vô tội, tức là "thà để một người có tội tự do còn hơn kết án ai đó mà không có bằng chứng". "Các bồi thẩm viên có lẽ trong vô thức còn đặt ra tiêu chuẩn căn cứ cao hơn trong những vụ bên công tố đề nghị tử hình", ông nói thêm. Cũng theo Shapiro, truyền thông góp phần quan trọng khiến công chúng phẫn nộ với phán quyết của bồi thẩm đoàn. "Vụ án nhận được rất nhiều sự quan tâm từ những chuyên gia tự phong. Nhiều người trong số họ chưa bao giờ xét xử một vụ án giết người. Bằng cách nêu ý kiến cá nhân thay vì những phân tích và báo cáo nghiêm túc, truyền thông đã biến phiên tòa thành trò giải trí", ông đánh giá. Trong loạt bài phỏng vấn với AP hồi năm 2017, Casey, hiện nay 34 tuổi, cho rằng cô là nạn nhân của sự phán xét vội vàng từ phía công chúng. "Mọi người đã kết tội tôi từ rất lâu trước khi tôi ra tòa", cô nói. Ánh Ngọc (Theo ABC News, Eonline, LA Times )
Sau khi Casey Anthony trắng án giết con hồi năm 2011, đám đông bên ngoài tòa án ở Florida la ó đòi kháng cáo bởi tin rằng cô có tội.