W sezonie 2019/2020 po trzech latach zdobył drugie mistrzostwo Hiszpanii i Superpuchar Hiszpanii. 30 lipca 2021 ogłosił przedłużenie kontraktu z Realem Madryt do 2025 roku. 1 czerwca 2024 strzelił gola w finale Ligi Mistrzów, który jego drużyna wygrała.
18 maja 2026 roku ogłosił, że opuści Real Madryt po zakończeniu sezonu 2025/26, po 13 latach gry w klubie.
Kariera reprezentacyjna Swoje występy w międzynarodowych rozgrywkach Carvajal zaczynał w młodzieżowych drużynach Hiszpanii. W 2011 wystąpił na młodzieżowych Mistrzostwach Europy U-19 w Rumunii.
Dwa lata później został zawodnikiem kadry Hiszpanii na Mistrzostwa Europy U-21 w Izraelu gdzie pomógł swojej drużynie w 3 meczu fazy grupowej przeciwko Holandii.
Carvajal został powołany do szerokiej 30 osobowej kadry na Mistrzostwa Świata w piłce nożnej w Brazylii w 2014 przez Vicente’a del Bosque. 31 maja trener Hiszpanii ogłosił ostateczną kadrę 23 zawodników w której zabrakło bocznego obrońcy Realu Madryt.
29 sierpnia został powołany do kadry na eliminacje mistrzostw Europy 2016 na mecz z Macedonią i towarzyski mecz z Francją. 4 września zadebiutował w reprezentacji w przegranym meczu z Francją 0:1, gdzie rozegrał pełne 90 minut.