Den 32-åriga kvinnan gick över gatan när en bil körde in bland de antirasistiska motdemonstranterna, enligt stadens polischef Al Thomas.
Filmklipp som sprids på sociala medier visar hur bilen i hög hastighet åker mot en grupp människor på en smal gata. Människor ramlar åt alla håll och många skriker i panik. Därefter backar bilen snabbt därifrån.
Helikopterkraschen inträffade i närheten av oroligheterna, ett par timmar efter bilattacken. Helikoptern var utskickad i bevakningen av den högerextrema demonstrationen. Den kraschade i ett skogsparti strax utanför staden och två personer omkom. Inga personer på marken skadades.
20-åring gripen
- Vi har människor som kommer hit för att skapa förödelse och kaos, vilket ledde till tre dödsfall här i Charlottesville, säger stadens representant Maurice Jones vid en presskonferens.
Föraren som körde in i folkmassan, en 20-årig man, har gripits. Polisen utreder händelsen som ett misstänkt mord.
Tillståndet är kritiskt för fem personer som kördes på och ytterligare fyra har allvarliga skador.
Redan före bilattacken hade många personer skadats i våldsamheter kring den högerextrema demonstrationen. Totalt har över 30 människor vårdats på sjukhus.
"Åk hem"
Sedan Charlottesville, i delstaten Virginia, beslutade att flytta en staty av sydstatsgeneralen RobertE Lee har staden fått återkommande besök av protesterande högerextremister. Men lördagens demonstration, under parollen "Förena högern", var med råge den största hittills.
- Jag har något att säga till alla högerextremister och nazister som kom till Charlottesville i dag. Vårt budskap är enkelt och klart: Åk hem, säger Virginias demokratiske guvernör Terry McAuliffe vid en presskonferens.
Ett lokalt undanstagstillstånd har redan utlysts och på lördagskvällen röstade stadens politiker för att ge polischefen rätt att införa utegångsförbud om det behövs.
Sent på kvällen meddelade den federala polisen FBI att en utredning dragits igång om bilattacken på demonstranterna.
- När det sker saker som uppstått ur rasism och hat så sviks våra kärnvärden och det kan inte tolereras, säger USA:s justitieminister Jeff Sessions.