Según informaciones proporcionadas por vecinos y amistades, ya que la fiscalía ni Carabineros quisieron entregar declaraciones, la joven había compartido con unos amigos temporeros en una casa ubicada en San Isidro, desde donde se retiró antes cerca de las 03:45 horas. Luego se dirigió en su bicicleta hasta el centro de la ciudad donde fue vista en la plaza de armas alrededor de las 04:00 horas. Posteriormente se le vio salir desde un local nocturno acompañada por tres hombres. Finalmente fue encontrada sin vida alrededor de las 08:15 horas en un sitio eriazo en calle San Martín Norte, entre calle Independencia y la ex línea férrea, frente a la Población Francisco Romero, donde vivía junto a su familia. Su cuerpo estaba de cúbito abdominal en una acequia regadora del Canal Partera, semi desnudo y con signos de haber perecido por asfixia por inmersión a pesar que por el canal no corría agua, pero en ese punto existía agua aposada.
Vecinos del sector entre las 06:00 y las 07:00 horas escucharon gritos desgarradores de una mujer, pero nadie salió a ver qué pasaba en las inmediaciones ya que en ese sector es habitual que durante las noches se reúnan jóvenes a consumir drogas y alcohol. Algunos indicaron que entre los gritos llamaba a una tal Pía, que luego se supo se trataba de una amiga.
Consultados los amigos que compartieron con Carolina en San Isidro, señalaron que la joven andaba sola y no encontraron nada sospechoso. Precisaron que ella se retiró antes que lo hicieran el resto de los amigos quienes forman parte de una cuadrilla de temporeros que realizan labores agrícolas en cultivos de granados en un fundo de la empresa AGRICOM, cerca de la ciudad de Vicuña.
Un sujeto que pasaba en camioneta por calle Independencia se percató que la bicicleta de Carolina, a quien conocía, se encontraba estacionada en la esquina; la habría tomado y dejado estacionada frente a la última casa de la Población Francisco Romero, y luego se asomó al sitio eriazo donde observó el cuerpo de la mujer.
En medio de la calle estaba la cartera de la joven. Minutos más tarde un funcionario del hospital encontró una cartera pequeña mojada en la esquina de calle Prat con pasaje Ignacio Carrera Pinto; cartera que contenía algunos documentos de Carolina.
En el sitio del suceso se encontró un gorro color rojo que podría pertenecer al autor del homicidio. Además fueron halladas tarjetas comerciales en la berma de la calle y folletos.
El deceso de la joven fue constatado por el paramédico del hospital local Manuel Paz. Carabineros de la Quinta Comisaría acordonó el sector de calle San Martín Norte, entre calle Independencia y la ex línea férrea.
Cerca de las 11:00 horas se hicieron presentes los fiscales Eduardo Yáñez y Alex Montecinos. Alrededor del mediodía arribó el vehículo del Servicio Médico Legal de La Serena y cerca de las 13:00 horas se hizo presente el personal de la Brigada de Homicidios de la PDI de La Serena, cuyos detectives realizaron los peritajes de rigor que tardaron varias horas. Finalmente alrededor de las 15:15 horas el cuerpo sin vida de Carolina Vega fue levantado y remitido al Servicio Médico Legal de La Serena.
Antes que comenzaran los peritajes de la PDI, el sector de calle San Martín fue intervenido por terceras personas con el tránsito de vehículos y personas que viven en ese tramo de la calle, y de vehículos policiales. Incluso hasta un vecino pudo lavar su vehículo. Horas después el acordonamiento del sector fue ampliado.
En horas de la mañana Carabineros de la Quinta Comisaría detuvo a un joven, como presunto autor del homicidio de Carolina Vega, identificado como R. L. A. S., quien fue derivado a la PDI junto con todos los antecedentes pues será esta policía la que siga con la investigación por orden de la fiscalía.
Tras varias indagaciones la PDI estableció un nexo entre el homicidio de la mujer y el joven. Por ello la fiscalía solicitó la orden de detención vía telefónica al Juzgado de Garantía, la cual fue otorgada a las 21:22 horas del mismo día domingo.
Aunque será la autopsia la que revele las causas exactas del deceso de la joven y el tipo de agresiones que sufrió, no se descarta además que haya sido víctima de una agresión sexual. Además se habría robado dinero que portaba en su cartera.
