Attentatet dödade tre personer och skadade fler än 260.
Appellationsdomstolen slog fast Tsarnajevs skuld, men beordrade samtidigt en ny rättegång för att fastställa påföljden.
Anledningen är enligt appellationsdomstolen att allt inte gick rätt till i processen med att välja ut en jury till rättegången år 2015. I domslutet pekar rätten på risken att jurymedlemmar kan ha haft förutfattade meningar om Tsarnajev på grund av den omfattande medierapporteringen om fallet som föregick rättegången.
Dzjochar Tsarnajev och hans äldre bror Tamerlan dömdes för att ha detonerat två hemmagjorda bomber tillverkade av tryckkokare vid mållinjen till Boston maraton den 15 april 2013. Den äldre brodern dog i en skottlossning med polis under den efterföljande jakten på gärningsmännen, medan den yngre brodern greps ett dygn senare.
Varken företrädare för åklagarsidan eller försvaret har ännu kommenterat den upprivna domen.