Tous les défendants ont déclaré avoir été torturés durant leur interrogatoire ou leur détention, ce qui paraît encore plus choquant quand on sait qu'ils ont été arrêtés après que des observateurs internationaux ont été présents en Libye avant même que ne se déclenche publiquement l’affaire qui les impliquera plus tard, et mènera à leur arrestation.
En mai 2005, Human Rights Watch a reçu leurs témoignages dans la prison de Jadida.
Les avocats des personnels médicaux accusés ont demandé 5 millions de dinars libyens (environ 3,7 millions USD) en compensation. La majeure partie des preuves est basée sur les rapports médicaux préparés par les autorités bulgares concernant les marques, scarres et brulures présentes sur le corps des défendants.
Après plusieurs délais de procédure, le procès des gardes libyens accusés de torture a débuté en fin mai 2005. Ils ont tous nié les charges contre eux. Le 7 juin 2005, les 10 tortionnaires libyens ont été acquittés et aucun n’a été emprisonné ou condamné.
Les prisonniers ont été alors poursuivis par plusieurs officiers de police libyens pour les avoir calomniés par des allégations de torture. Cependant le 27 mai 2007, les prisonniers bulgares ont été acquittés de ces nouvelles charges et les policiers plaignants contraints à payer les frais de justice.
Le 12 juin 2006, veille de la deuxième audience du nouveau procès, à la maison de Radio France s’est tenue une conférence de presse qui réunissait le Pr Luc Montagnier l’expert internationalement reconnu dans les modes de contamination par le HIV et le sida, Yves Repiquet le Bâtonnier de l'Ordre des avocats de Paris, Maître Emmanuel Altit l’un des Avocats sans frontières qui défendent les infirmières à Tripoli, Christine Bruneau la présidente de Femmes de demain, Françoise Geng la secrétaire fédérale de la CGT santé, Alain Tourret le vice président du Conseil régional de Basse-Normandie et Michel Taube le fondateur et porte-parole de Ensemble contre la peine de mort. Le ministre des Affaires étrangères Bernard Kouchner et Patrick Pelloux étaient excusés. La chanteuse franco-bulgare Sylvie Vartan était en direct par téléphone depuis la Californie.
Tous ont appelé à la remise en liberté des infirmières bulgares et du médecin palestinien durant la tenue de ce nouveau procès qui en fait reprend l’instruction à son début puisque le précédent jugement de condamnation à la peine de mort a été cassé le 25 décembre 2005.
114 lauréats Nobel dans les sciences ont co-signé le 9 novembre 2006 une lettre ouverte, publiée dans le journal scientifique Nature, au leader libyen Muammar Khaddafi l’appelant à un procès juste.
Amnesty International a condamné la décision prise par un tribunal libyen le 19 décembre 2006 de condamner à mort les inculpés.
Les organisations bulgares ont également diffusé et vendu un symbole de soutien, un ruban aux couleurs bulgares arborant le message « Vous n’êtes pas seuls. » (écrit en anglais et en bulgare). Ce ruban était arboré sur les costumes des officiels bulgares et de nombreuses personnes du public lors de la conférence de presse donnée à l’aéroport international de Sofia lors de l’arrivée des prisonniers libérés par la Libye le mardi 24 juillet 2007 et ramenés tôt le matin dans l’avion présidentiel français.
Cécilia Sarkozy s’est rendue secrètement à Tripoli avec un responsable de l’Élysée, le 12 juillet 2007, pour visiter les détenus, puis à Benghazi pour voir les familles des enfants contaminés par le virus du sida. Elle a également rencontré le colonel Mouammar Kadhafi, auprès duquel elle a plaidé, avec Claude Guéant, la cause des infirmières et du médecin. « Il n’a pas été catégorique dans sa réponse, mais je le répète, on peut légitimement espérer.»
C’est seulement lors de sa seconde visite le 22 juillet, investie d’une mission tenue officiellement « humanitaire » par le président français, et accompagnée de la Commissaire européenne apportant le soutien officiel de toute l’Union européenne, et d’un secrétaire mandaté par l’Élysée capable de négocier diplomatiquement avec d’autres États arabes (via les ambassades françaises ou la collaboration des autres services diplomatiques européens) pour la médiation finale, qu’elle a pu obtenir gain de cause sur le sort des infirmières et le médecin bulgares.
On ne sait pas actuellement quelle a été la nature de la médiation obtenue du Qatar (le Président français parle seulement « d’un geste humanitaire très généreux »), ni où et par qui elle a été négociée (à Paris ou Tripoli ou dans une des ambassades françaises). Toutefois, on relève que l’émir du Qatar était l’invité spécial du président de la République lors des cérémonies militaires de la fête nationale le 14 juillet.
Les tractations auraient porté sur des contrats d'armements, la libération d'un Libyen emprisonné depuis 2001 à Glasgow, en Écosse, ainsi que une centrale électriqueet un contrat de prospection gazière de 900 millions de dollars.