V roce 1907 začal pracovat pro lorda Carnarvona, který ho zaměstnal, aby dohlížel na výkop šlechtických hrobek v Deir el-Bahri poblíž Théb. Gaston Maspero, vedoucí egyptské starožitnické služby, doporučil Cartera Carnarvonovi, jak věděl použije moderní archeologické metody a systémy záznamu.

V roce 1914 dostal lord Carnarvon koncesi kopat v Údolí králů. Carter byl znovu zaměstnán jako vedoucí díla. Provedl systematické hledání všech hrobek zmeškaných předchozími expedicemi, zvláště u faraóna Tutanchamona. Vykopávky však brzy přerušila první světová válka, Carter strávil válečná léta prací pro britskou vládu jako diplomatický kurýr a překladatel. Nadšeně pokračoval ve svém výzkumu do konce roku 1917.

Do roku 1922 byl lord Carnarvon po několika letech hledání málo spokojen s nedostatkem výsledků. Po zvážení zrušení financování Carnarvon po diskusi s Carterem souhlasil, že bude financovat ještě jednu sezónu prací v Údolí králů.

Carter se vrátil do Údolí králů a vyšetřoval linii chatrčí, které opustil o několik sezón dříve. Posádka vyčistila chýše a skalní úlomky pod nimi. Dne 4. listopadu 1922 jejich mladý vodní chlapec náhodou narazil na kámen, který se ukázal být vrcholem schodiště vyřezaného do skalního podloží. Carter nechal schody částečně vyhloubit, dokud nebyla nalezena horní část blátem omítnutých dveří. Dveře byly opatřeny nevýraznými kartušími (oválné pečeti s hieroglyfickým písmem). Carter nařídil doplnit schodiště a poslal telegram Carnarvonovi, který přijel z Anglie o dva a půl týdne 23. listopadu v doprovodu své dcery Lady Evelyn Herbertové.

Dne 24. listopadu V roce 1922 byl odstraněn celý rozsah schodiště a na vnějších dveřích byla nalezena pečeť s Tutanchamonovou kartuší. Tyto dveře byly odstraněny a chodba naplněná sutinami za nimi byla vymazána a odhalila dveře samotné hrobky. 26. listopadu Carter , za účasti Carnarvona, lady Evelyn a asistenta Arthura Callendera, provedli „drobné porušení v levém horním rohu“ dveří pomocí dláta, které mu dala jeho babička k jeho 17. narozeninám. Byl schopen nahlédnout dovnitř ve světle svíčky a uvidíte, že mnoho zlatých a ebenových pokladů bylo stále na svém místě. Ještě nevěděl, zda se jedná o „hrobku nebo jen starou kešku“, ale viděl slibný uzavřený vchod mezi dvěma strážci Carnarvon se zeptal: „Vidíš něco?“ Carter odpověděl Ied se slavnými slovy: „Ano, úžasné věci!“ Carter ve skutečnosti objevil Tutanchamonovu hrobku (později označenou jako KV62). Hrobka byla poté zajištěna a další den do ní vstoupil za přítomnosti úředníka egyptského ministerstva starožitností. Té noci však Carter, Carnarvon, Lady Evelyn a Callender zjevně provedly neoprávněnou návštěvu a staly se prvními lidmi v moderní době, kteří vstoupili do hrobky. Některé zdroje naznačují, že skupina vstoupila také do vnitřní pohřební komory. Z tohoto důvodu byla v zapečetěných dveřích komory nalezena malá díra a Carter, Carnarvon a Lady Evelyn prolezly.

Následujícího rána, 27. listopadu, byla provedena prohlídka hrobky za přítomnosti egyptský úředník. Volající vybavil elektrické osvětlení a osvětlil obrovské množství věcí, včetně pozlacených pohovek, truhly, trůnů a svatyní. Viděli také důkazy o dalších dvou komorách, včetně zapečetěných dveří do vnitřní pohřební komory, střežených dvěma sochy Tutanchamona v životní velikosti. Navzdory důkazům o vloupání ve starověku byla hrobka prakticky neporušená a nakonec bylo zjištěno, že obsahuje více než 5 000 předmětů.

Dne 29. listopadu byla hrobka oficiálně otevřeno za přítomnosti řady pozvaných hodnostářů a egyptských úředníků.

Uvědomil si velikost a rozsah budoucího úkolu a Carter hledal pomoc od Alberta Lythga Oe týmu vykopávek Metropolitního muzea, který pracuje poblíž, který ochotně souhlasil s půjčením řady svých zaměstnanců, včetně Arthura Maceho a archeologického fotografa Harryho Burtona, zatímco egyptská vláda půjčila analytického chemika Alfreda Lucase. Dalších několik měsíců bylo věnováno katalogizaci a konzervování obsahu předpokoje pod „často stresujícím“ dohledem Pierra Lacaua, generálního ředitele odboru egyptských starožitností. Dne 16. února 1923 Carter otevřel uzavřené dveře a potvrdil, že to vedlo k pohřební komoře obsahující sarkofág Tutanchamona.Hrobka byla považována za nejzachovalejší a nejpoškozenější faraonskou hrobku, která se kdy v Údolí králů našla, a objev byl dychtivě pokryt světovým tiskem. K velké zlosti jiných novin však Lord Carnarvon prodal výlučná práva na hlášení The Times. Na scénu byl povolen pouze HV Morton tohoto článku a jeho živé popisy pomohly vytvořit Carterovu reputaci u britské veřejnosti.

Ke konci února 1923, rozpor mezi Lordem Carnarvon a Carter, pravděpodobně způsobení neshodami v tom, jak řídit dozorující egyptské úřady, dočasně zastavili těžbu. Práce byly zahájeny počátkem března poté, co se lord Carnarvon Carterovi omluvil. O měsíc později lord Carnarvon utrpěl otravu krve, když zůstal v Luxoru poblíž místa hrobky. Zemřel v Káhiře dne 5. dubna 1923. Lady Carnarvon si zachovala ústupek svého zesnulého manžela v Údolí králů, což Carterovi umožnilo pokračovat ve své práci.

Pečlivé hodnocení a katalogizace tisíců Carterových předměty v hrobce trvaly téměř deset let, většina byla přesunuta do Egyptského muzea v Káhiře. V práci došlo k několika přestávkám, včetně jedné trvající téměř rok v letech 1924–25, způsobené sporem o to, co Carter považoval za nadměrnou kontrolu výkopu egyptskou starožitností. Egyptské úřady nakonec souhlasily, že Carter by měl dokončit vyklizení hrobky. Toto pokračovalo až do roku 1929, přičemž některé závěrečné práce trvaly až do února 1932.

Navzdory významu svého archeologického nálezu Carter nedostal žádnou čest Britská vláda. V roce 1926 však obdržel Řád Nilu třetí třídy od egyptského krále Fuada I. Byl mu také udělen čestný titul doktora věd Yale University a čestné členství v Real Academia de la Historia z Madridu ve Španělsku.

Carter během své kariéry napsal řadu knih o egyptologii, včetně Pětiletého průzkumu v Thébách, spoluautorem s Lordem Carnarvonem v roce 1912, popisujícím jejich rané vykopávky a tříletou objem populární zprávy o objevu a vykopání Tutanchamonovy hrobky. Přednesl také řadu ilustrovaných přednášek o vykopávkách, včetně turné po Británii, Francii, Španělsku a Spojených státech v roce 1924. V New Yorku a dalších amerických městech se zúčastnilo velké a nadšené publikum, což vyvolalo americkou egyptomanii.