Debra Milke frigavs i september 2013 efter att en viktig detektiv i fallet hade gjort sig skyldig till ett brott.
Fallet mot Milke berodde till stor del på en påstådd bekännelse till den detektiven.
En appellationsdomstol i Arizona beslutade på torsdag att hon inte kunde ställas inför rätta igen i samband med mordet.
Åklagare hade yrkat på en ny rättegång, men en panel bestående av tre domare sade att ett sådant steg skulle innebära en dubbel fara.
De två männen som utförde mordet är kvar i dödscellen.
Debra Milke, då en 25-årig försäkringsbolag kontorist, anklagades för att klä sin son i sin favorit outfit och berätta för honom att han skulle träffa jultomten i ett lokalt köpcentrum.
Fyraårige Christoper Milke fördes sedan av två män till ett ökenområde norr om Phoenix där han sköts tre gånger i huvudet.
Den ursprungliga rättegången 1990 fann ms Milke skyldig till att ha arrangerat mordet, baserat på en påstådd bekännelse till inspektör Armando Saldate.
Saldate noterade emellertid inte erkännandet och har sedan dess varit inblandad i flera fall av tjänstefel, bland annat genom att ljuga under ed.
En appellationsdomstol fastslog förra året att åklagarna hade känt till Saldates fel men inte hade lämnat ut informationen.
"Ingen-disclosure av denna magnitud ifrågasätter integriteten i systemet och var mycket skadligt för Milke", sade domstolen.
Saldate sade att han var rädd för potentiella anklagelser om han vittnade igen, och i december beviljade en domare sin begäran om att inte lägga fram bevis vid någon ny rättegång.
Domstolen sa på torsdag att det inte var att uttrycka en åsikt om Milkes skuld eller oskuld utan bara om giltigheten av en förnyad rättegång.
Ms Milkes före detta man, Arizona Milke, förblev övertygad om sin skuld.
"Hon borde inte gå fri, för hon är skyldig", sa han till Associated Press.
Advokaterna för Milke sa att de var "trillade" vid beslutet att inte tillåta en ny rättegång. Åklagare kan dock fortfarande överklaga till högsta domstolen.
Anklagelserna har lagts ned mot en amerikansk kvinna som tillbringade mer än två decennier i dödscell efter att ha dömts för att ha arrangerat mordet på sin son 1989.