El 4 de abril de 2007, en el marco de una huelga del sindicato docente ATEN, perteneciente a la CTERA, se decidió hacer un corte de la ruta 22 a la altura de Arroyito, cerca del pueblo de Senillosa, como medida de protesta. La decisión fue tomada en asamblea por la mayoría de los afiliados al sindicato. Fuentealba no compartía la decisión de hacerla en ese lugar porque lo consideraba peligroso, pero accedió a la voluntad de la mayoría.
Ese día la policía provincial recibió la orden del gobernador Jorge Sobisch de impedir que los manifestantes cortaran la ruta, para garantizar el libre tránsito en la misma.
Al llegar al lugar y antes de que se efectivizara el corte de ruta, los docentes fueron desalojados con balas de goma, gases lacrimógenos, bombas de pintura y un carro hidrante en dos ocasiones. Muchos se refugiaron en una estación de servicio cercana (perteneciente al cuñado del gobernador, Fernando Ponte) y otros eran perseguidos por policías a pesar de haberse retirado de la ruta. Tras una conversación entre dirigentes y policías en la estación de servicio, se detuvo el accionar policial y los docentes se retiraron en grupo, a pie y en autos, hacia la ciudad de Senillosa, escoltados por camionetas policiales. Luego, sin aviso, las camionetas policiales se adelantaron a la caravana, encerrándola, y reanudaron el uso de la fuerza.
Fuentealba se encontraba en el asiento trasero de un auto Fiat 147 patente ACM 169 que se retiraba del lugar, cuando un policía de nombre José Darío Poblete, integrante del Grupo Especial de Operaciones Policiales (GEOP) de la ciudad próxima de Zapala, apuntó hacia la cabeza de Fuentealba a través del vidrio, que se encontraba a unos 2 metros de distancia, y disparó una granada de gas lacrimógeno marca Towers. El cartucho de gas lacrimógeno atravesó el vidrio del vehículo e impactó en la nuca de Fuentealba, causándole un hundimiento de cráneo. En el hospital provincial fue sometido a dos operaciones y finalmente murió al día siguiente.
El hecho causó conmoción y un repudio generalizado y llevó a una declaración de huelga general apoyada por las dos centrales sindicales (CTA y CGT). Simultáneamente los trabajadores de la educación, administrativos y docentes de todo el país llevaron a cabo huelgas, movilizaciones y asambleas masivas, bajo consignas como «Las tizas no se manchan con sangre», «Sobisch Asesino», «Nunca Más» entre otras, y exigiendo la renuncia y el juicio político al gobernador Sobisch. Hubo rotura de vidrios e incidentes ante la seccional policial con estudiantes detenidos.
La huelga docente en Neuquén se extendió por más de 50 días y el gobierno intentó reabrir algunas escuelas reemplazando a sus directores con funcionarios de otras áreas del gobierno y contratando docentes suplentes. Finalmente se acordó con el gremio docente un aumento salarial, una pensión para la viuda de Fuentealba y otras reivindicaciones, y los docentes se comprometieron a recuperar las jornadas perdidas por el paro.
Luego del asesinato de Fuentealba sus compañeros de militancia docente del Nuevo MAS decidieron bautizar a su agrupación como «Agrupación Nacional Carlos Fuentealba», en su homenaje y como forma de reivindicar su trayectoria como militante revolucionario.
En años posteriores se estrenaron varios documentales sobre su vida. Se destaca En obra (2013), dirigido por Ariel Borenstein y Damián Finvarb, donde se recorre su historia de lucha sindical y política.