Vilanova 2014. április 25-én, 45 évesen hunyt el. 2011-ben diagnosztizáltak nála fültőmirigyrákot. Felépülését követően leülhetett a Barcelona kispadjára, ahol bajnoki címig vezette a katalán csapatot. Betegsége sajnálatos módon kiújult, így le kellett mondania a vezetőedzői posztról. Az orvosok ekkor már nem tudtak segíteni az állapotán, így elvesztette harcát a kórral szemben.
A Barcelona februárban Tito Vilanováról nevezte el fő edzőpályáját, míg a mai napon egy megható összefoglalóval tisztelgett az emléke előtt.