Ngày 6 tháng 1 năm 2000, Carlo Urbani nhận công việc mới tại WHO, và nhiệm vụ lần này của ông là ở Việt Nam. Ông và gia đình đến Hà Nội vào khoảng tháng 5 năm 2000. Tại Việt Nam, vị trí công tác của ông là chuyên gia tư vấn cho WHO về kiểm soát bệnh do ký sinh trùng ở khu vực Tây Thái Bình Dương, kỳ hạn công tác là 3 năm.

Vào ngày 28 tháng 2 năm 2003, bác sĩ Carlo Urbani được mời tới Bệnh viện Việt Pháp (Hà Nội) để theo dõi bệnh của Johny Chen, doanh nhân người Mỹ đã bị ốm và được các bác sĩ chẩn đoán là bị bệnh cúm nặng. Ông nhận thấy Johny Chen không phải bị cúm mà có thể là một căn bệnh mới rất dễ lấy nhiễm. Ngay lập tức ông đã thông báo tới WHO, từ đó bắt đầu một chiến dịch phản ứng hữu hiệu nhất trong lịch sử trong việc phòng chống bệnh dịch nghiêm trọng. Ông cũng đã thuyết phục Bộ Y tế Việt Nam cho cách ly và theo dõi khách du lịch, do đó làm chậm sự lây lan của căn bệnh này.

Vào ngày 11 tháng 3 năm 2003, trong chuyến bay từ Hà Nội đi Bangkok để đến dự một cuộc hội nghị về bệnh do ký sinh trùng ở trẻ em mà ông sẽ là chủ tọa, Carlo Urbani bị sốt và ông nhận ra rằng mình cũng đã bị nhiễm bệnh do thường xuyên theo dõi, chăm sóc bệnh nhân trước đó. Khi máy bay hạ cánh, ngay lập tức ông được đưa tới bệnh viện và được cách ly để điều trị.

Phòng bệnh của ông dược cách ly tuyệt đối, đo đó vợ của ông, bà Chiorrini, chỉ có thể nhìn qua cửa và nói chuyện với ông qua bộ đàm. Bà chỉ nhìn thấy ông tỉnh táo đúng một lần trong suốt thời gian này. Trong khoảng khắc tỉnh táo đó, Carlo Urbani đã đề nghị các bác sĩ cắt lá phổi của mình để lại làm tiêu bản nghiên cứu[2].

Sau 18 ngày được điều trị đặc biệt, Carlo Urbani đã qua đời vào lúc 11:45 sáng ngày 29 tháng 3 năm 2003. Sau khi ông mất 2 tuần, một loại virus chủng corona (sau được đặt tên là virus SARS) đã được nhận diện là nguyên nhân gây bệnh và đại dịch SARS được khống chế.