A jovem foi encontrada morta em um bueiro, na tarde do dia 25 de outubro, em uma esquina da Rua do Chá com a Rua do Couro, no Jardim Pérola, em Santa Bárbara D'oeste, interior de São Paulo. O corpo foi encontrado por uma equipe de técnicos de uma empresa de gás encanado que fazia serviços no local.

Conforme laudo do Instituto Médico Legal (IML), embora tenha sido divulgado que a jovem morreu decaptada, a versão foi desmentida pela polícia e através do laudo cadavérico, que atestou que Maria Carolina morreu asfixiada.

Em entrevista para a TV Todo Dia, de São Paulo, o delegado Gabriel Fagundes de Toledo Neto, do 2º Distrito Policial, responsável pelas investigações, disse que o namorado da vítima, o sergipano José Albert Menezes, de 24 anos, despertou a atenção da polícia desde que foi feita a queixa do desaparecimento de Maria Carolina. Mesmo com a namorada desaparecida, ele não apresentava preocupação e quando descobriu que a polícia havia encontrado o corpo ele teria ficado nervoso.

Amigas da jovem, que havia deixado Tapera há cerca de oito meses, deixando para trás duas crianças, relataram que o casal vivia brigando constantemente e que Carolina teria falado que temia ser morta, pois José Albert havia descoberto as supostas traições.

Diante disso, o delegado decidiu convidar o suspeito para ir na delegacia. Porém, quando os policiais chegaram no local de trabalho do suspeito, ele tentou fugir, sendo dominado e levado para a delegacia, onde confessou o feminicídio, apresentando como motivação as constantes traições que alegou ter sofrido de Ana Carolina. 

O corpo da vítima foi transladado de São Paulo para Alagoas em um avião da Latam, chegando ao aeroporto de Maceió no final da tarde desta quarta-feira (1º), de onde foi levado para Tapera em um veículo de uma empresa funerária.