Carlos encontró la vocación docente a los 38 años, después de haber recorrido otros caminos como obrero de la construcción y técnico químico. Su primera escuela fue el Centro Provincial de Enseñanza Media Nº 69 de la Cuenca XV, ubicado en una zona de bajos recursos del oeste de Neuquén. Tras haber militado en el Movimiento al Socialismo, en aquel colegio fue elegido como delegado sindical por sus compañeros.

Le alcanzó el breve tiempo que pudo tener frente a la clase para comprender a fondo los verdaderos conflictos del sistema educativo, que subejecuta presupuestos mientras retacea dinero al salario de los trabajadores.

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.

La policía dispersó 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.​

Fuentealba se encontraba en el asiento trasero de un auto Fiat 147 patente ACM 169 que huia del lugar, cuando un policía de nombre José Darío Poblete, integrante del Grupo Especial de Operaciones Policiales (GEOP) de la ciudad próxima de Zapala, arrojó una granada de gas que traspasó el vidrio del auto impactando en Fuentealba,⁷​que se encontraba a unos 2 metros de distancia, y disparó una granada de gas lacrimógeno marca Towers. El cartucho de gas 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.

Su ejecutor, el cabo policial José Darío Poblete, fue condenado a prisión perpetua en 2008 pero varios testigos lo han visto caminando, libre, por la calle.

En cuanto a sus asesinos ideológicos, estaban siendo juzgados en la Causa Fuentealba II, pero durante su primer año la presidencia de Mauricio Macri, aliado político de Sobisch, la Justicia sobreseyó a todos los imputados. La viuda del maestro patagónico, Sandra Rodríguez, junto con los sindicatos Aten y Ctera, Internacional de la Educación y el Centro de Estudios Legales y Sociales, le solicitó a la Corte Suprema la reapertura de la causa, con la esperanza de que reciba condenas la cadena de mandos de la Policía y los responsables políticos.

En marzo de 2019, la Corte Suprema de Justicia de la Nación de 2019 abrió una puerta para la familia, que aguarda que se investiguen las responsabilidades de los policías que estuvieron en la coordinación del operativo desarrollado en Arroyito, incluido el rol que le cupo al exgobernador, Jorge Sobisch. En agosto, el Tribunal Superior de Justicia de Neuquén dejó sin efecto los sobreseimientos que se habían dictado en el legajoLa Corte Suprema le ordenó al Tribunal Superior de Justicia (TSJ) de Neuquén dictar una nueva sentencia en la causa “Fuentealba II”, que involucra a quienes dirigieron el operativo represivo.