Được biết, Vilanova đã mắc căn bệnh ung thư vòm họng từ tháng 11.2011. Tới tháng 12.2012, căn bệnh quái ác này lại tiếp tục tái phát khiến ông phải tạm ngưng công việc để sang New York, Mỹ điều trị bằng phương pháp hóa trị và xạ trị tại bệnh viện Memorial Sloan-Kettering.
Do tình trạng sức khỏe không đảm bảo nên Vilanova đã phải tuyên bố từ chức HLV trưởng Barca vào hôm 19.7.2013 để tập trung vào việc chữa bệnh.
Hôm 22.4 vừa qua, căn bệnh ung thư vòm họng của Vilanova đã bị biến chứng thành ung thư tuyến nước bọt khiến ông phải nhập viện khẩn cấp. Hai ngày sau, nhà cầm quân 45 tuổi đã bị rơi vào tình trạng hôn mê sâu, trước khi trút hơi thở cuối cùng vào hôm 25.4 (giờ địa phương).
Sau khi hay tin, đội chủ sân Nou Camp đã gửi lời chia buồn tới gia đình Vilanova thông qua mạng xã hội Twitter: “FC Barcelona xin gửi lời chia buồn và tiếc thương sâu sắc tới gia đình Tito Vilanova, người đã qua đời ở tuổi 45. Hy vọng, ông ấy sẽ được an nghỉ trong hòa bình”.
Trước khi trở thành HLV trưởng của Barca, Vilanova đã làm trợ lý cho Pep Guardiola tại sân Nou Camp kể từ năm 2008-2012. Mặc dù chỉ dẫn dắt Blaugrana trong thời gian 1 năm, song ông đã giúp đội bóng này đoạt 1 chức vô địch La Liga và 1 Siêu cúp Tây Ban Nha.