Accidentul a avut loc pe 28 aprilie, în largul arhipelagului Ilhabela. Bittencourt şi soţul ei, Jorge Sestini, se aflau pe barca lor cu pânze, care a fost lovită de o furtună puternică.
Câinii cuplului, care se aflau pe ambarcaţiune, au fost aruncaţi în apă. Fotomodelul a sărit după cele două animale, încercând să le salveze de la înec. Partenerul ei de viaţă i-a sărit în ajutor, însă nu a reuşit să o găsească. Jorge Sestini a fost salvat de autorităţi la câteva ore după incident, iar cadavrul lui Bittencourt a fost găsit pe o plajă pe 29 aprilie. Câinii nu au mai fost găsiţi.
Decesul manechinului a fost confirmat de fiica acesteia, Isabelle, pe reţeaua de socializare online Instagram. „Suntem recunoscători pentru susţinerea şi mesajele pline de afecţiune pe care le-am primit de la prietenii şi fanii lui Carol”, a scris tânăra de 17 ani.
Decesul lui Caroline Bittencourt vine la scurt timp după cel al altui model brazilian, Tales Soares. Acesta murit după ce a căzut pe podium, în timpul unei prezentări susţinute în cadrul Săptămânii modei de la Sao Paulo (22 – 27 aprilie).