Le , alors qu'elle effectue ses premiers essais en Angleterre pour l'écurie russe Marussia F1 Team, elle est victime d'un accident grave. Alors qu'elle rentrait au ralenti, sa voiture a soudainement accéléré pour aller s'encastrer dans un camion de l'écurie en stationnement[4]. Le lendemain, elle subit une lourde intervention chirurgicale pour traiter des blessures à la tête et au visage et stabiliser son état. Elle perd toutefois son œil droit, conséquence directe de l'accident[5], ainsi que les sens du goût et de l'odorat[6]. En , le rapport du Health & Safety Executive établit que les causes de l'accident sont l'intervention du dispositif de contrôle du ralenti qui empêcha la pilote de décélérer, l'impossibilité d'actionner l'embrayage lorsque le volant était braqué au maximum et le blocage de la roue avant gauche [7]. Ce rapport indique également un défaut d'information de Villota sur la procédure pour arrêter la voiture.
Elle meurt dans son sommeil, le dans un hôtel de Séville[1], alors qu'elle devait faire la promotion de son livre La vida es un regalo (littéralement « La vie est un cadeau »)[8]. L'autopsie révèle que sa mort est due à des causes naturelles, des suites de blessures neurologiques datant de son accident en Formule 1 en 2012[9].
