1907-ben Lord Carnarvonnál kezdett dolgozni, aki a Thébai melletti Deir el-Bahriben található nemesi sírok feltárásának felügyeletére alkalmazta. Gaston Maspero, az egyiptomi régiségszolgálat vezetője ajánlotta Cartert Carnarvonnak, amint tudta modern régészeti módszereket és nyilvántartási rendszereket alkalmazna.

Különösen Tutanhamon fáraóé. Az ásatásokat azonban hamarosan megszakította az első világháború, Carter a háborús éveket diplomáciai futárként és fordítóként töltötte be a brit kormánynál. Lelkesen folytatta ásatását 1922 végére Lord Carnarvon elégedetlenné vált az eredmények hiánya után, miután több évig keveset talált. Miután megfontolta finanszírozásának visszavonását, Carnarvon megállapodott Carterrel folytatott megbeszélés után, hogy még egy évadot finanszíroz a Királyok Völgyében.

Carter visszatért a Királyok Völgyébe, és kivizsgálott egy sort kunyhókból, amelyeket néhány évaddal korábban elhagyott. A legénység megtisztította az alatta lévő kunyhókat és sziklatörmelékeket. 1922. november 4-én fiatal vízi fiújuk véletlenül megbotlott egy kövön, amely az alapkőzetbe vágott lépcső tetejének bizonyult. Carter a lépcsőket részben kiássa, amíg egy sárral bevakolt ajtó tetejét megtalálták. Az ajtót homályos kartuszokkal (ovális pecsétekkel, hieroglif írással) bélyegezték. Carter elrendelte a lépcső újratöltését, és táviratot küldött Carnarvonnak, aki két és fél hét múlva, november 23-án érkezett Angliából, lánya, Lady Evelyn Herbert kíséretében.

November 24-én 1922-ben megtisztították a lépcső teljes terjedelmét, és a külső ajtón megtalálták a Tutanhamon-féle kartotékot. Ezt az ajtót eltávolították, és a törmelékkel teli folyosó megtisztult, felfedve magát a sír ajtaját. Carter november 26-án , Carnarvon mellett Lady Evelyn és Arthur Callender asszisztens vett részt az ajtó bal felső sarkában “apró törést”, egy vésőt használva, amelyet nagymamája adott neki 17. születésnapjára. egy gyertya fényénél, és látja, hogy sok arany- és ébenkincs még mindig a helyén van. Még nem tudta, hogy “sírról van-e szó, vagy csupán egy régi cache-ről”, de ígéretes lezárt ajtót látott két őrszem között Carnarvon megkérdezte: – Látsz valamit? – válaszolta Carter a híres szavakkal: “Igen, csodálatos dolgok!” Carter valójában felfedezte Tutanhamon sírját (később KV62 néven). A sírt ezután rögzítették, és másnap az egyiptomi régiségügyi osztály tisztviselőjének jelenlétében léphettek be. Aznap este azonban Carter, Carnarvon, Lady Evelyn és Callender nyilvánvalóan jogosulatlanul látogattak meg, és a modern idők első embereiként léptek be a sírba. Egyes források szerint a csoport a belső temetkezési kamrába is belépett. Ebben a beszámolóban egy kis lyukat találtak a kamra lezárt ajtajában, és Carter, Carnarvon és Lady Evelyn átmászott.

Másnap, november 27-én reggel a síremléket szemlélve látták. egy egyiptomi tisztviselő. Callender elektromos világítást szerelt fel, amely rengeteg tárgyat megvilágított, köztük aranyozott heverőket, ládákat, trónokat és szentélyeket. Két további kamrát is láttak, köztük a belső temetkezési kamra lezárt ajtaját, amelyet kettő őrzött Tutanhamon életnagyságú szobrai. Annak ellenére, hogy az ókorban feltörték a betöréseket, a sír gyakorlatilag ép volt, és végül kiderült, hogy több mint 5000 tárgyat tartalmaz.

November 29-én a sír hivatalosan is hivatalosan számos meghívott méltóság és egyiptomi tisztviselő jelenlétében nyílt meg.

Felismerve az előttünk álló feladat méretét és terjedelmét, Carter segítséget kért Albert Lythgtől A Metropolitan Múzeum közelében dolgozó ásatási munkacsoportjának munkatársai, akik készségesen beleegyeztek számos munkatársának kölcsönzésébe, köztük Arthur Mace és Harry Burton régészeti fotós, míg az egyiptomi kormány Alfred Lucas analitikus vegyészt kölcsönözte. Az elkövetkező néhány hónap az előszoba tartalmának katalogizálásával és konzerválásával telt el Pierre Lacau, az Egyiptomi Régiségügyi Minisztérium főigazgatójának “gyakran stresszes” felügyelete alatt. 1923. február 16-án Carter kinyitotta a lezárt ajtót és megerősítette, hogy egy temetkezési kamrához vezet, amely Tutanhamon szarkofágját tartalmazza.A sírt a legjobban megőrzött és ép épségű fáraó sírnak tekintették, amelyet valaha a Királyok Völgyében találtak, és a felfedezésről a világ sajtója lelkesen foglalkozott. A többi újság nagy bosszúságára azonban Lord Carnarvon kizárólagos riportjogokat adott el. A The Times-nak. Ebből a cikkből csak HV Mortont engedték be a helyszínre, és élénk leírása segített megalapozni Carter hírnevét a brit közönség előtt.

1923. február vége felé Lord közötti szakadék. Carnarvon és Carter, valószínűleg a felügyelő egyiptomi hatóságok irányításával kapcsolatos nézeteltérés miatt, ideiglenesen leállította az ásatást. A munka március elején kezdődött el, miután Lord Carnarvon bocsánatot kért Cartertől. Még ebben a hónapban Lord Carnarvon vérmérgezést kapott, miközben Luxorban tartózkodott a sírhely közelében. 1923. április 5-én Kairóban halt meg. Lady Carnarvon megtartotta néhai férje engedményét a Királyok Völgyében, így Carter folytathatta munkáját.

Carter gondosan értékelte és katalogizálta a több ezer embert. a sírban lévő tárgyak közel tíz évet vettek igénybe, a legtöbbet a kairói Egyiptomi Múzeumba költöztették. A munkában több szünet is volt, köztük 1924–25-ben csaknem egy évig tartó vita, amelyet egy olyan vita váltott ki, amely Carter szerint az egyiptomi régiségszolgálat túlzott ellenőrzés alatt tartotta a feltárást. Az egyiptomi hatóságok végül megállapodtak abban, hogy Carternek be kell fejeznie a sír kiadását. Ez 1929-ig folytatódott, és néhány utolsó munka 1932 februárjáig tartott.

Régészeti lelete jelentősége ellenére Carter nem kapott tiszteletet a Brit kormány. 1926-ban azonban megkapta a Nílus III. Rendjét, Fuad I. egyiptomi királytól. A Yale Egyetem tudományos doktora kitüntetési fokozatot és a Real Academia de la Historia tiszteletbeli tagságát is elnyerte. Madridból, Spanyolországból.

Carter karrierje során számos könyvet írt az egyiptológiáról, köztük az ötéves “feltárást Thébában”, amelyet Lord Carnarvonnal írtak 1912-ben, leírva korai feltárásaikat, és egy három kötet népszerű beszámolója Tutanhamon sírjának felfedezéséről és feltárásáról. Emellett illusztrált előadássorozatot is tartott a feltárásról, köztük Nagy-Britannia, Franciaország, Spanyolország és az Egyesült Államok 1924-es turnéját. A New York-i és más amerikai városokban lévőkre nagyszámú és lelkes közönség vett részt, ami az amerikai egyiptomániát váltotta ki.