Khieu Samphan, den tidigare statschefen, och Nuon Chea, Pol Pots ställföreträdare, står redan inför rätta för krigsförbrytelser och brott mot mänskligheten.
Den andra rättegången omfattar en anklagelse för folkmord i samband med mord på vietnamesiska och kammuslimska minoriteter.
Målen prövas separat för att påskynda förfarandena, eftersom svarandena är äldre.
En dom i det första fallet, under tiden, förväntas den 7 augusti. Åklagare söker livstidsstraff för de två tidigare ledarna.
De röda khmererna härskade över Kambodja i fyra år, från 1975 till 1979. Upp till två miljoner människor tros ha dött av svält, överarbete eller genom avrättning under den brutala maoistiska regimen.
Ledare Pol Pot dog 1997 och bara en högre tjänsteman - f.d. fängelsechef Duch - har dömts och fängslats för brott som begåtts av regimen.
Två andra ledare skulle ställas inför rätta, men Ieng Sary - den tidigare utrikesministern - dog förra året och hans hustru, före detta socialminister Ieng Thirith, dömdes olämplig att ställas inför rätta.
Den första rättegången har till stor del inriktats på brott som begåtts då stadsbefolkningen tvångsförflyttades till arbetsläger på landsbygden.
Den andra rättegången kommer att behandla Nuon Cheas, 88, och Khieu Samphans, 83, roller i morden på tiotusentals - kanske hundratusentals människor från Kambodjas etniska minoritetsgrupper.
Frågan om tvångsäktenskap och våldtäkt kommer också att omfattas av förfaranden.
Öppningsförhöret äger rum idag, och rättegången förväntas pågå till och med 2016.
De två sista överlevande ledarna för Kambodjas röda khmerregim ska inleda sin andra rättegång i Phnom Penh.