I 1907 begyndte han at arbejde for Lord Carnarvon, som ansatte ham til at føre tilsyn med udgravningen af adelsgrave i Deir el-Bahri, nær Thebes. Gaston Maspero, leder af den egyptiske antikvitetstjeneste, havde anbefalet Carter til Carnarvon, da han vidste, at han ville anvende moderne arkæologiske metoder og systemer til registrering.

I 1914 modtog Lord Carnarvon indrømmelsen til at grave i Kings of the Valley. Carter blev igen ansat til at lede arbejdet. Han foretog en systematisk søgning efter eventuelle grave, der var gået glip af tidligere ekspeditioner, især den fra farao Tutankhamun. Udgravninger blev dog hurtigt afbrudt af første verdenskrig, hvor Carter i krigsårene arbejdede for den britiske regering som en diplomatisk kurer og oversætter. Han genoptog entusiastisk sin udgravning arbejde i slutningen af 1917.

I 1922 var Lord Carnarvon blevet utilfreds med manglen på resultater efter flere år med at finde lidt. Efter at have overvejet at trække sin finansiering tilbage, aftog Carnarvon efter en diskussion med Carter, at han ville finansiere endnu en sæson med arbejde i Kings of the Valley.

Carter vendte tilbage til Kings of the Valley og undersøgte en linje af hytter, som han havde forladt et par sæsoner tidligere. Besætningen ryddede hytterne og stenaffaldet nedenunder. Den 4. november 1922 snuble deres unge vanddreng ved et uheld på en sten, der viste sig at være toppen af en trappetrin, der blev skåret ned i grundfjeldet. Carter lod trapperne delvist graves ud, indtil toppen af en mudderpudset døråbning blev fundet. Døråbningen blev stemplet med utydelige cartouches (ovale sæler med hieroglyphic skrift). Carter beordrede, at trappen genopfyldes og sendte et telegram til Carnarvon, der ankom fra England to og en halv uge senere den 23. november ledsaget af sin datter Lady Evelyn Herbert.

Den 24. november 1922 blev trappens fulde udstrækning ryddet og en forsegling indeholdende Tutankhamuns cartouche fundet på den ydre døråbning. Denne dør blev fjernet og den murbrokkerfyldte korridor bagved ryddet og afslørede døren til selve graven. Den 26. november Carter , med Carnarvon, Lady Evelyn og assistent Arthur Callender til stede, lavede et “lille brud i øverste venstre hjørne” af døråbningen ved hjælp af en mejsel, som hans bedstemor havde givet ham til sin 17. fødselsdag. Han var i stand til at kigge ind ved lyset og se, at mange af guld- og ibenholtskattene stadig var på plads. Han vidste endnu ikke, om det var “en grav eller blot en gammel cache”, men han så en lovende forseglet døråbning mellem to vagtpost Carnarvon spurgte: ”Kan du se noget?” Carter repl alle med de berømte ord: ”Ja, vidunderlige ting!” Carter havde faktisk opdaget Tutankhamuns grav (efterfølgende betegnet KV62). Graven blev derefter sikret for at komme ind i nærværelse af en embedsmand fra det egyptiske departement for antikviteter den næste dag. Men den aften besøgte Carter, Carnarvon, Lady Evelyn og Callender tilsyneladende et uautoriseret besøg og blev de første mennesker i moderne tid til at komme ind i graven. Nogle kilder antyder, at gruppen også kom ind i det indre gravkammer. I denne beretning blev der fundet et lille hul i kammerets “forseglede døråbning, og Carter, Carnarvon og Lady Evelyn kravlede igennem.

Næste morgen, 27. november, så en inspektion af graven i nærværelse af en egyptisk embedsmand. Callender rigede op elektrisk belysning og oplyste en lang række varer inklusive forgyldte sofaer, kister, troner og helligdomme. De så også tegn på yderligere to kamre, inklusive den forseglede døråbning til det indre gravkammer, bevogtet af to livsstørrelsesstatuer af Tutankhamun. På trods af bevis for indbrud i oldtiden var graven næsten intakt og ville i sidste ende blive fundet at indeholde over 5.000 genstande.

Den 29. november blev graven officielt åbnet i nærværelse af et antal inviterede dignitarier og egyptiske embedsmænd.

At realisere størrelsen og omfanget af den kommende opgave søgte Carter hjælp fra Albert Lythg oe fra Metropolitan Museums udgravningsteam, der arbejder i nærheden, som let gik med til at låne et antal af hans personale, herunder Arthur Mace og arkæologisk fotograf Harry Burton, mens den egyptiske regering lånte analytisk kemiker Alfred Lucas. De næste par måneder blev brugt til at katalogisere og bevare indholdet i forkammeret under den “ofte stressende” opsyn af Pierre Lacau, generaldirektør for Department of Antiquities of Egypt. Den 16. februar 1923 åbnede Carter den forseglede døråbning og bekræftede, at den førte til et gravkammer indeholdende sarkofagen fra Tutankhamun.Graven blev betragtet som den bedst bevarede og mest intakte faraoniske grav, der nogensinde er fundet i Kongernes dal, og opdagelsen blev ivrigt dækket af verdens presse. Imidlertid solgte Lord Carnarvon eksklusive rapporteringsrettigheder meget til andre avisers irritation. til The Times. Kun HV Morton fra dette papir var tilladt på scenen, og hans livlige beskrivelser hjalp til med at skabe Carters ry hos den britiske offentlighed.

Mod slutningen af februar 1923 var der en kløft mellem Lord Carnarvon og Carter, sandsynligvis forårsaget af en uenighed om, hvordan man styrede de tilsynsførende egyptiske myndigheder, stoppede udgravningen midlertidigt. Arbejdet genoptog i begyndelsen af marts, efter at Lord Carnarvon undskyldte Carter. Senere samme måned fik Lord Carnarvon blodforgiftning, mens han opholdt sig i Luxor nær gravstedet. Han døde i Kairo den 5. april 1923. Lady Carnarvon bevarede sin afdøde mands koncession i Kings of the Valley, hvilket gjorde det muligt for Carter at fortsætte sit arbejde.

Carter’s omhyggelige vurdering og katalogisering af tusinder af objekter i graven tog næsten ti år, hvoraf de fleste blev flyttet til det egyptiske museum i Kairo. Der var flere pauser i arbejdet, herunder en, der varede næsten et år i 1924–25, forårsaget af en tvist om, hvad Carter så som overdreven kontrol med udgravningen fra den egyptiske antikvitetstjeneste. De egyptiske myndigheder blev til sidst enige om, at Carter skulle færdiggøre gravpladsens godkendelse. Dette fortsatte indtil 1929 med noget sidste arbejde, der varede indtil februar 1932.

På trods af betydningen af hans arkæologiske fund modtog Carter ingen ære fra Britisk regering, men i 1926 modtog han Nile-ordenen, tredje klasse, fra kong Fuad I af Egypten. Han blev også tildelt en æresgrad som doktor i naturvidenskab ved Yale University og æresmedlemskab i Real Academia de la Historia af Madrid, Spanien.

Carter skrev en række bøger om egyptologi i løbet af sin karriere, herunder Five Years “Exploration at Thebes, co-skrevet med Lord Carnarvon i 1912, der beskriver deres tidlige udgravninger og en tre- volumen populær beretning om opdagelsen og udgravningen af Tutankhamuns grav. Han leverede også en række illustrerede foredrag om udgravningen, herunder en rundvisning i 1924 i Storbritannien, Frankrig, Spanien og USA. De i New York City og andre amerikanske byer blev deltaget af et stort og entusiastisk publikum, der udløste det amerikanske Egypten.