George Pell, som tidigare var en av påvens närmaste män och Vatikanens ekonomichef, hade överklagat sin fängelsedom, då försvaret hävdat att det gjordes flera tekniska misstag under rättegången.
Pells advokater hävdade även att kardinalen inte skulle ha kunnat begå övergreppen som det har beskrivits eftersom han hindrades av den prästrock han bar vid tillfället.
Men de tre domarna i Melbourne övertygades inte av försvaret. Med siffrorna 2–1 röstade de ner Pells begäran om ny rättegång. Därmed måste 77-årige Pell avtjäna minst tre år och åtta månader av det sexåriga fängelsestraffet.
Läs mer Vatikanens ekonomichef ställs inför rätta
Kan överklaga igen
Domarens Anne Ferguson, som var en av de två som röstade mot Pell, sade till de många journalisterna på plats att den av de två offer som fortfarande är i livet gav ett övertygande intryck i rätten och "helt klart inte är en lögnare" utan ett trovärdigt vittne.
– Han var genomgående trovärdig och under hela sitt vittnesmål gav han ett intryck av att vara någon som talar sanning, sade Ferguson.
Pell har 28 dagar på sig att överklaga onsdagens beslut, vilket hans advokater överväger.
– Kardinal Pell var givetvis besviken efter dagens beslut. Men hans juridiska ombud kommer noga gå igenom domslutet för att avgöra om de ska lämna in en överklagan till högsta domstolen, säger Pells talesperson Katrina Lee.
Riskerade 50 års fängelse
George Pell befanns skyldig i december i fjol, men på domstolens order blev domen offentlig först i slutet av februari. Pell dömdes för ett fall av samlag med minderårig samt fyra fall av sexuella övergrepp som skedde 1996–1997.
De två offren, ett par korgossar då 12 respektive 13 år, ska ha smitit in i sakristian efter en söndagsmässa där de blev påkomna av Pell som tvingade sig på pojkarna. Han var då ärkebiskop i Melbourne.
George Pell är den högst uppsatte inom katolska kyrkan som dömts för sexbrott, han riskerade upp till 50 år i fängelse för övergreppen.