Penjaga kompleks, Caleb Hughes, menjadi tersangka utama pada malam itu menurut kesaksian para saksi. Beberapa wanita melaporkan bahwa Hughes melakukan pelecehan seksual terhadap mereka selama pesta berlangsung, dan tamu lainnya melaporkan bahwa Hughes telah memberikan perhatian yang berlebihan terhadap anak-anak di pesta tersebut, termasuk Melissa. Polisi mengunjungi apartemennya pada malam hari. Istri Hughes dapat berkoordinasi baik dengan polisi. Seluruh pakaian, termasuk sepatu Hughes yang dikenakan pada saat hilangnya Melissa, ditemukan di mesin cuci Hughes, yang dimasukkan dengan tergesa-gesa ke sana untuk dicuci oleh Hughes sendiri ketika ia tiba di rumah. Polisi menyita benda tersebut sebagai bukti. Polisi juga menyita kendaraan yang dikemudikan oleh Hughes dan kursi penumpang diperiksa adanya serat pakaian sebagai bukti serat. Pemeriksa dalam [[Uji kebohongan|tes kebohongan]] menyimpulkan bahwa Hughes menunjukkan bukti bahwa ia berbohong ketika ditanyai tentang perannya dalam kehilangan Melissa.
Istri Hughes, Carol, adalah kunci penyelidikan tersebut. Ia melaporkan kepulangannyabahwa Hughes kembali ke rumah setelah bekerja beberapa jam lebih lama dari biasanya dan juga ditemukan tambahan jarak tempuh pada [[odometer]] mobil. Suaminya menjelaskan bahwa jarak tempuh yang lebih jauh merupakan akibat dari perjalanan sampingan ketika ia membeli bir sebanyak enam pak dan mengambil rute yang lebih panjang untuk kembali ke rumah. Hughes tidak pernah menjelaskan mengapa ia melakukan perjalanan yang lebih jauh dari perjalanan yang biasa ia gunakan untuk pulang ke rumah.
Serat pakaian diambil dari kursi depan kendaraan. Korban dilaporkan mengenakan gaunbaju Big Bird yang dibeli dari J. C. Penney. Peneliti memperoleh gaunbaju yang identik, dan dibandingkan dengan yang ditemukan di kursi mobil Hughes. Kecocokan antara gaunbaju dan serat pakaian dalam mobil telah dipastikan saat diteliti. Selain itu, ditemukan pula beberapa bulu kelinci dari mantel bulu kelinci langka yang dipakai oleh Tammy di pesta. Bukti ini menunjukmenyatakan ke arah kemungkinan bahwa korban duduk di kursi penumpang pada malam itu.<ref name="History">{{cite web|url=http://www.history.com/this-day-in-history/the-clothes-make-the-man-guilty|title=The clothes make the man . . . guilty – Dec 03, 1989 – HISTORY.com|date=2009|website=HISTORY.com|publisher=A&E Networks|accessdate=10 September 2017}}</ref>
Semua penyelidik yakin bahwa Hughes telah membunuh Melissa. Meskipun hukum Virginia tidak memerlukan tubuh korban untuk mengajukan tuduhan pembunuhan, hukumjaksa tidak meminta jaksa untuk mengidentifikasi lokasi pembunuhan. Dengan kurangnya bukti ini, Hughes didakwa dengan penculikan dengan maksud untuk melakukan pelecehanperbuatan seksual terhadap Melissa. Bukti serat pakaian menjadi hal penting dalam perkembangan tuduhan ini, karena jaksa berpendapat bahwa tidak ada alasan yang kuat untuk melepas mantel gadis tersebut di dalam mobil; oleh sebab itulah, serat gaun tersebut masih tertinggal dalam mobil. Hughes dinyatakan bersalah dan dijatuhi hukuman penjara selama 50 tahun.<ref>{{cite web|url=http://www.people.com/people/archive/article/0,,20114997,00.html|title=Crime and Punishment|publisher=People.com|accessdate=9 Desember 2014}}</ref>
Dua orang yang tidak ada hubungannya dengan kasus Brannen mencoba melakukan [[Pungutan liar|pemerasan]] dengan permintaan [[tebusan]] sebanyak {{USD|75000}}. Kemudian mereka ditangkap saat tengah mengumpulkan uang tebusan.<ref>{{cite news|url=https://news.google.com/newspapers?id=zAFOAAAAIBAJ&sjid=AowDAAAAIBAJ&pg=3467,2285553&dq=melissa+brannen&hl=en|title=Ransom paid, Melissa still missing|date=Feb 16, 1990|publisher=The Free Lance-Star|accessdate=9 Desember 2014|via=News.google.com}}</ref><ref>{{Citation|title=2 CHARGED WITH EXTORTION IN MELISSA BRANNEN CASE|url=https://www.washingtonpost.com/archive/politics/1990/02/17/2-charged-with-extortion-in-melissa-brannen-case/43f565a9-1cd4-48d6-8bd3-41cd5c575860/|year=1990|last1=Howe|last2=Davis|first1=Robert F.|first2=Patricia|publisher=The Washington Post|accessdate=30 Juni 2017}}</ref>2
