En 1907, comenzó a trabajar para Lord Carnarvon, quien lo contrató para supervisar la excavación de las tumbas de los nobles en Deir el-Bahri, cerca de Tebas. Gaston Maspero, jefe del Servicio de Antigüedades de Egipto, había recomendado a Carter a Carnarvon porque sabía que aplicaría métodos y sistemas de registro arqueológicos modernos.

En 1914, Lord Carnarvon recibió la concesión para excavar en el Valle de los Reyes. Carter fue nuevamente contratado para dirigir el trabajo. Él emprendió una búsqueda sistemática de las tumbas que no se habían encontrado en expediciones anteriores. en particular la del faraón Tutankamón. Sin embargo, las excavaciones pronto fueron interrumpidas por la Primera Guerra Mundial, y Carter pasó los años de guerra trabajando para el gobierno británico como mensajero diplomático y traductor. Reanudó con entusiasmo su excavación ación hacia fines de 1917.

Para 1922, Lord Carnarvon estaba insatisfecho con la falta de resultados después de varios años de encontrar pocos resultados. Después de considerar retirar su financiación, Carnarvon acordó, después de una discusión con Carter, que financiaría una temporada más de trabajo en el Valle de los Reyes.

Carter regresó al Valle de los Reyes e investigó una línea de chozas que había abandonado unas temporadas antes. La tripulación limpió las cabañas y los escombros de rocas debajo. El 4 de noviembre de 1922, su pequeño chico del agua tropezó accidentalmente con una piedra que resultó ser la parte superior de un tramo de escaleras excavado en el lecho de roca. Carter hizo cavar parcialmente los escalones hasta que se encontró la parte superior de una puerta enlucida de barro. La entrada estaba sellada con cartuchos indistintos (sellos ovalados con escritura jeroglífica). Carter ordenó que se rellenaran las escaleras y envió un telegrama a Carnarvon, quien llegó de Inglaterra dos semanas y media después, el 23 de noviembre, acompañado de su hija Lady Evelyn Herbert.

El 24 de noviembre En 1922, se despejó toda la extensión de la escalera y se encontró un sello que contenía el cartucho de Tutankamón en la puerta exterior. Se quitó esta puerta y se despejó el pasillo lleno de escombros, dejando al descubierto la puerta de la tumba. El 26 de noviembre Carter , con la presencia de Carnarvon, Lady Evelyn y el asistente Arthur Callender, hizo una «pequeña brecha en la esquina superior izquierda» de la puerta, usando un cincel que su abuela le había regalado por su cumpleaños número 17. Pudo mirar dentro a la luz de una vela y ver que muchos de los tesoros de oro y ébano todavía estaban en su lugar. Todavía no sabía si era «una tumba o simplemente un antiguo escondite», pero vio una puerta sellada prometedora entre dos centinelas estatuas. Carnarvon preguntó: «¿Puedes ver algo?» Carter respondió ied con las famosas palabras: «¡Sí, cosas maravillosas!» Carter, de hecho, había descubierto la tumba de Tutankhamon (posteriormente designada KV62). Luego se aseguró la tumba, para ser ingresada en presencia de un funcionario del Departamento de Antigüedades de Egipto al día siguiente. Sin embargo, esa noche, Carter, Carnarvon, Lady Evelyn y Callender aparentemente hicieron una visita no autorizada, convirtiéndose en las primeras personas en los tiempos modernos en ingresar a la tumba. Algunas fuentes sugieren que el grupo también ingresó a la cámara funeraria interior. En este relato, se encontró un pequeño agujero en la puerta sellada de la cámara y Carter, Carnarvon y Lady Evelyn se arrastraron a través de él.

A la mañana siguiente, 27 de noviembre, vieron una inspección de la tumba en presencia de Un funcionario egipcio. Callender instaló iluminación eléctrica, iluminando una gran cantidad de artículos, incluidos sofás dorados, cofres, tronos y santuarios. También vieron evidencia de dos cámaras más, incluida la entrada sellada a la cámara funeraria interior, custodiada por dos estatuas de tamaño natural de Tutankamón. A pesar de la evidencia de allanamientos en la antigüedad, la tumba estaba prácticamente intacta, y finalmente se descubrirá que contiene más de 5,000 artículos.

El 29 de noviembre la tumba fue oficialmente abrió en presencia de varios dignatarios invitados y funcionarios egipcios.

Al darse cuenta del tamaño y el alcance de la tarea que tenía por delante, Carter buscó la ayuda de Albert Lythg oe del equipo de excavación del Museo Metropolitano, que trabajaba cerca, que accedió de inmediato a prestar a varios de sus empleados, incluidos Arthur Mace y el fotógrafo arqueológico Harry Burton, mientras que el gobierno egipcio prestó al químico analítico Alfred Lucas. Los siguientes meses se pasaron catalogando y conservando el contenido de la antecámara bajo la supervisión «a menudo estresante» de Pierre Lacau, director general del Departamento de Antigüedades de Egipto. El 16 de febrero de 1923, Carter abrió la puerta sellada y confirmó que conducía a una cámara funeraria que contenía el sarcófago de Tutankamón.La tumba fue considerada la tumba faraónica mejor conservada y más intacta jamás encontrada en el Valle de los Reyes, y el descubrimiento fue cubierto con entusiasmo por la prensa mundial. Sin embargo, para gran disgusto de otros periódicos, Lord Carnarvon vendió los derechos exclusivos de información a The Times. Solo HV Morton de ese periódico pudo entrar en escena, y sus vívidas descripciones ayudaron a establecer la reputación de Carter entre el público británico.

Hacia finales de febrero de 1923, una ruptura entre Lord Carnarvon y Carter, probablemente debido a un desacuerdo sobre cómo manejar a las autoridades egipcias supervisoras, detuvieron temporalmente la excavación. El trabajo se reanudó a principios de marzo después de que Lord Carnarvon se disculpara con Carter. Más tarde ese mes, Lord Carnarvon contrajo envenenamiento de la sangre mientras se encontraba en Luxor, cerca del sitio de la tumba. Murió en El Cairo el 5 de abril de 1923. Lady Carnarvon retuvo la concesión de su difunto esposo en el Valle de los Reyes, lo que permitió a Carter continuar con su trabajo.

La meticulosa evaluación y catalogación de Carter de los miles de Los objetos de la tumba tardaron casi diez años, y la mayoría se trasladó al Museo Egipcio de El Cairo. Hubo varias interrupciones en el trabajo, incluida una que duró casi un año en 1924–25, causada por una disputa sobre lo que Carter vio como un control excesivo de la excavación por parte del Servicio de Antigüedades de Egipto. Las autoridades egipcias finalmente acordaron que Carter debería completar la limpieza de la tumba. Esto continuó hasta 1929, con algunos trabajos finales que duraron hasta febrero de 1932.

A pesar de la importancia de su hallazgo arqueológico, Carter no recibió ningún honor del Gobierno británico. Sin embargo, en 1926, recibió la Orden del Nilo, de tercera clase, del rey Fuad I de Egipto. También fue galardonado con un grado honorario de Doctor en Ciencias por la Universidad de Yale y miembro honorario de la Real Academia de la Historia. de Madrid, España.

Carter escribió varios libros sobre egiptología durante su carrera, incluido Five Years «Exploration at Thebes, coescrito con Lord Carnarvon en 1912, que describe sus primeras excavaciones, y tres volumen relato popular del descubrimiento y excavación de la tumba de Tutankhamon. También pronunció una serie de conferencias ilustradas sobre la excavación, incluida una gira de 1924 por Gran Bretaña, Francia, España y Estados Unidos. A los de la ciudad de Nueva York y otras ciudades de EE. UU. Asistieron grandes y entusiastas audiencias, lo que provocó la egiptomanía estadounidense.