Olayla ilgili yürütülen soruşturma kapsamında, Pelin Karaca'nın sevgilisi olduğu iddia edilen A.U. (37) gözaltına alındı. Manisa'nın Alaşehir ilçesinde yaşayan Karaca'nın, kaybolduğu gün "Çarşıya gidiyorum" diyerek evden çıktığı belirtildi. Karaca’nın eve dönmemesi üzerine ailesi durumu polise bildirdi ve arama çalışmaları başlatıldı. Manisa İl Emniyet Müdürlüğü, Asayiş Şube Müdürlüğü ve Cinayet Büro Amirliği ekipleri, Karaca'nın kaybolmasına ilişkin A.U.'yu sorguya aldı.
Sorgu sırasında A.U., Pelin Karaca'yı öldürdüğünü ve Uşak'ın Eşme ilçesindeki ormanlık alana gömdüğünü itiraf etti. A.U.'nun ifadesi doğrultusunda olay yerine giden ekipler, ormanlık alanda yapılan kazı çalışması sonucunda Karaca'nın cansız bedenine ulaştı. Savcılık incelemesinin ardından Karaca’nın bedeni morga kaldırıldı. Cinayeti itiraf eden A.U. ise polis tarafından gözaltına alınarak emniyete götürüldü.