Accidentul a avut loc pe 28 aprilie, în largul arhipelagului Ilhabela. Bittencourt și soțul ei, Jorge Sestini, se aflau pe barca lor cu pânze, care a fost lovită de o furtună puternică.
Câinii cuplului, care se aflau pe ambarcațiune, au fost aruncați în apă. Fotomodelul a sărit după cele două animale, încercând să le salveze de la înec. Partenerul ei de viață i-a sărit în ajutor, însă nu a reușit să o găsească. Jorge Sestini a fost salvat de autorități la câteva ore după incident, iar cadavrul lui Bittencourt a fost găsit pe o plajă pe 29 aprilie. Câinii nu au mai fost găsiți.
Decesul manechinului a fost confirmat de fiica acesteia, Isabelle, pe rețeaua de socializare online Instagram. „Suntem recunoscători pentru susținerea și mesajele pline de afecțiune pe care le-am primit de la prietenii și 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 susținute în cadrul Săptămânii modei de la Sao Paulo (22 – 27 aprilie).