En 1907, il commença à travailler pour Lord Carnarvon qui l’engagea pour superviser la fouille des tombes nobles à Deir el-Bahri, près de Thèbes. Gaston Maspero, chef du Service égyptien des antiquités, avait recommandé Carter à Carnarvon car il savait qu’il appliquerait des méthodes et des systèmes d’enregistrement archéologiques modernes.

En 1914, Lord Carnarvon reçut la concession de creuser dans la Vallée des Rois. Carter fut de nouveau employé pour diriger les travaux. Il entreprit une recherche systématique des tombes manquées lors des expéditions précédentes, en particulier celle du pharaon Toutankhamon. Cependant, les fouilles furent bientôt interrompues par la Première Guerre mondiale, Carter passant les années de guerre à travailler pour le gouvernement britannique comme courrier diplomatique et traducteur. Il reprit avec enthousiasme ses fouilles travail vers la fin de 1917.

En 1922, Lord Carnarvon était devenu mécontent du manque de résultats après plusieurs années à en trouver peu. Après avoir envisagé de retirer son financement, Carnarvon a accepté, après une discussion avec Carter, qu’il financerait une autre saison de travail dans la Vallée des Rois.

Carter est retourné dans la Vallée des Rois et a enquêté sur une ligne de huttes qu’il avait abandonnées quelques saisons auparavant. L’équipage a nettoyé les huttes et les débris rocheux en dessous. Le 4 novembre 1922, leur jeune garçon de l’eau est tombé accidentellement sur une pierre qui s’est avérée être le sommet d’une volée de marches creusées dans la roche. Carter fit creuser partiellement les marches jusqu’à ce que le haut d’une porte recouverte de boue soit trouvé. La porte était estampillée de cartouches indistincts (sceaux ovales avec écriture hiéroglyphique). Carter ordonna le remplissage de l’escalier et envoya un télégramme à Carnarvon, qui arriva d’Angleterre deux semaines et demie plus tard le 23 novembre, accompagné de sa fille Lady Evelyn Herbert.

Le 24 novembre En 1922, toute l’étendue de l’escalier a été dégagée et un sceau contenant le cartouche de Toutankhamon a été trouvé sur la porte extérieure. Cette porte a été enlevée et le couloir rempli de gravats derrière dégagé, révélant la porte de la tombe elle-même. Le 26 novembre Carter , en présence de Carnarvon, de Lady Evelyn et de l’assistant Arthur Callender, a fait une « petite brèche dans le coin supérieur gauche » de la porte, à l’aide d’un ciseau que sa grand-mère lui avait offert pour son 17e anniversaire. Il a pu observer à la lueur d’une bougie et de voir que de nombreux trésors d’or et d’ébène étaient encore en place. Il ne savait pas encore s’il s’agissait « d’une tombe ou simplement d’une vieille cache », mais il vit une porte scellée prometteuse entre deux sentinelles statues. Carnarvon a demandé: « Pouvez-vous voir quelque chose? » ied avec les mots célèbres: « Oui, des choses merveilleuses! » Carter avait, en fait, découvert la tombe de Toutankhamon (désignée par la suite KV62). La tombe a ensuite été sécurisée, pour y être introduite en présence d’un fonctionnaire du Département égyptien des antiquités le lendemain. Cependant, cette nuit-là, Carter, Carnarvon, Lady Evelyn et Callender ont apparemment fait une visite non autorisée, devenant les premières personnes des temps modernes à entrer dans la tombe. Certaines sources suggèrent que le groupe est également entré dans la chambre funéraire intérieure. Dans ce récit, un petit trou a été trouvé dans la porte scellée de la chambre et Carter, Carnarvon et Lady Evelyn ont rampé à travers.

Le lendemain matin, 27 novembre, a vu une inspection de la tombe en présence de un fonctionnaire égyptien. Callender a installé un éclairage électrique, éclairant une grande quantité d’objets, notamment des canapés, des coffres, des trônes et des sanctuaires dorés. Ils ont également vu des traces de deux autres chambres, y compris la porte scellée de la chambre funéraire intérieure, gardée par deux statues grandeur nature de Toutankhamon. Malgré les preuves d’effractions dans l’Antiquité, la tombe était pratiquement intacte et contiendrait finalement plus de 5 000 objets.

Le 29 novembre, la tombe était officiellement ouvert en présence d’un certain nombre de dignitaires invités et de responsables égyptiens.

Conscient de l’ampleur et de la portée de la tâche à venir, Carter a demandé l’aide d’Albert Lythg oe de l’équipe de fouilles du Metropolitan Museum, travaillant à proximité, qui a facilement accepté de prêter un certain nombre de ses collaborateurs, dont Arthur Mace et le photographe archéologique Harry Burton, tandis que le gouvernement égyptien a prêté le chimiste analytique Alfred Lucas. Les mois suivants furent consacrés à cataloguer et à conserver le contenu de l’antichambre sous la supervision « souvent stressante » de Pierre Lacau, directeur général du Département des Antiquités d’Egypte. Le 16 février 1923, Carter ouvrit la porte scellée et confirma qu’elle menait à une chambre funéraire, contenant le sarcophage de Toutankhamon.La tombe était considérée comme la tombe pharaonique la mieux préservée et la plus intacte jamais trouvée dans la Vallée des Rois, et la découverte a été couverte avec enthousiasme par la presse mondiale. Cependant, au grand désagrément des autres journaux, Lord Carnarvon a vendu des droits exclusifs de reportage au Times. Seul HV Morton de ce journal était autorisé à entrer en scène, et ses descriptions éclatantes ont contribué à établir la réputation de Carter auprès du public britannique.

Vers la fin de février 1923, une rupture entre Lord Carnarvon et Carter, probablement causés par un désaccord sur la façon de gérer les autorités égyptiennes de surveillance, ont temporairement interrompu les fouilles. Les travaux ont repris début mars après que Lord Carnarvon eut présenté ses excuses à Carter. Plus tard ce mois-là, Lord Carnarvon a contracté un empoisonnement du sang tout en restant à Louxor près du site de la tombe. Il mourut au Caire le 5 avril 1923. Lady Carnarvon conserva la concession de son défunt mari dans la Vallée des Rois, permettant à Carter de continuer son travail.

Carter évaluant et cataloguant méticuleusement les milliers de les objets dans la tombe ont pris près de dix ans, la plupart étant transférés au Musée égyptien du Caire. Il y eut plusieurs interruptions dans les travaux, dont une qui dura près d’un an en 1924-1925, causée par un différend sur ce que Carter considérait comme un contrôle excessif des fouilles par le Service égyptien des antiquités. Les autorités égyptiennes ont finalement convenu que Carter devrait achever le dégagement de la tombe. Cela a continué jusqu’en 1929, avec quelques derniers travaux durant jusqu’en février 1932.

Malgré l’importance de sa découverte archéologique, Carter n’a reçu aucun honneur de la Gouvernement britannique. Cependant, en 1926, il a reçu l’Ordre du Nil, troisième classe, du roi Fouad Ier d’Égypte. Il a également reçu un doctorat honorifique en sciences de l’Université de Yale et membre honoraire de la Real Academia de la Historia de Madrid, Espagne.

Carter a écrit un certain nombre de livres sur l’égyptologie au cours de sa carrière, y compris Five Years « Exploration at Thèbes, co-écrit avec Lord Carnarvon en 1912, décrivant leurs premières fouilles, et trois- volume récit populaire de la découverte et de l’excavation de la tombe de Toutankhamon. Il a également donné une série de conférences illustrées sur les fouilles, y compris une tournée de 1924 en Grande-Bretagne, en France, en Espagne et aux États-Unis. Ceux de New York et d’autres villes américaines ont été suivis par un public nombreux et enthousiaste, suscitant l’égyptomanie américaine.