Tsarnaev, de 27 anos, foi condenado à morte em 2015 por plantar duas bombas caseiras na linha de chegada da tradicional corrida em 2013, um ataque que matou três pessoas e feriu outras 264.
O condenado itiu ter planejado o ataque quando tinha 19 anos ao lado do irmão mais velho, Tamerlan Tsarnaev, que morreu quatro dias após o ataque em uma troca de tiros com a polícia.
Advogados de Tsarnaev haviam pedido um novo julgamento, alegando que o procedimento não poderia ter sido realizado em Boston, cidade traumatizada pelo ataque, e também questionaram a neutralidade de dois jurados, que mentiram durante a seleção do júri quando perguntados se haviam tido conversas sobre o caso nas redes sociais.
A corte de apelação federal de Massachusetts manteve a maioria das condenações contra Tsarnaev, mas instruiu uma corte distrital a realizar um novo julgamento para determinar a validade da condenação à morte.
"Só para ser o mais claro possível... Dzhokhar permanecerá preso pelo resto da vida, com a única dúvida sendo se o governo irá acabar com sua vida e executá-lo", disseram os três juízes da corte de apelação.
Para o juiz O. Rogeriee Thompson, o tribunal responsável pelo caso não foi capaz de assegurar a seleção de um juri justo, com alguns jurados demonstrando ter chegado para as audiências com "a opinião formada de que Tsarnaev era culpado".
Os advogados de Tsarnaev, um cidadão americano de origem chechena, sempre alegaram que o cliente não tinha histórico de violência e que o irmão mais velho seria o mentor do atentado.
Casos de pena de morte federal são raros nos Estados Unidos, embora três presos tenham sido executados em julho após uma ordem do presidente Donald Trump para a retomada de execuções federais após 17 anos. Uma quarta execução está agendada para o fim de agosto.