Как сообщается в пресс-релизе Федерации фридайвинга России, 2 августа Молчанова проводила погружение без ласт, вне рамок соревнований или тренировок. Глубина дна в районе погружения варьировалась от 35 до 65 метров. Спортсменка выполняла нырок на глубину в 30–40 метров, что не являлось особо сложной задачей для мировой рекордсменки. Однако во время погружения что-то пошло не так. Через какое-то время Молчанова появилась на поверхности, но примерно в 60 метрах от расчётной точки всплытия. Сопровождающие спортсменку страхующие устремились на помощь, но Наталья вновь скрылась под водой.
В районе исчезновения начаты масштабные поиски с привлечением местных спасателей и испанской береговой охраны. Однако, по мнению специалистов, шансов на благоприятный исход практически не осталось. Сын Натальи Молчановой, фридайвер Алексей Молчанов, вечером 4 августа заявил журналистам, что надежды найти её живой нет.