Den 25. april 2014 kunngjorde FC Barcelona at den tidligere treneren hadde tapt kampen mot kreftsykdommen. En kamp han hadde kjempet gjennom de siste to og et halvt årene. «Tito Vilanova er for evig en referanse for menneskene og fotballen i FC Barcelona. Takk for alt du har lært oss. Hvil i fred,» uttrykte president Josep Maria Bartomeu i sin kondolanse. Dødsbudskapet rystet en hel idrettsverden. Vilanova etterlot seg kone og to barn.