I 1907 begynte han å jobbe for Lord Carnarvon, som brukte ham til å overvåke utgravningen av adelsgraver i Deir el-Bahri, nær Theben. Gaston Maspero, leder for den egyptiske antikvitetstjenesten, hadde anbefalt Carter til Carnarvon ettersom han visste han ville bruke moderne arkeologiske metoder og systemer for opptak.

I 1914 mottok Lord Carnarvon konsesjonen til å grave i Kings of the Valley. Carter ble igjen ansatt for å lede arbeidet. Han foretok en systematisk leting etter gravsteder som tidligere ekspedisjoner savnet, spesielt farao Tutankhamun. Utgravningene ble imidlertid snart avbrutt av første verdenskrig, og Carter tilbrakte krigsårene for å jobbe for den britiske regjeringen som en diplomatisk kurir og oversetter. Han gjenopptok entusiastisk utgravningen mot slutten av 1917.

I 1922 hadde Lord Carnarvon blitt misfornøyd med mangelen på resultater etter flere år med å finne lite. Etter å ha vurdert å trekke tilbake finansieringen, ble Carnarvon enige om, etter en samtale med Carter, at han ville finansiere en sesong til med arbeid i Valley of the Kings.

Carter vendte tilbake til Valley of Kings, og undersøkte en linje av hytter som han hadde forlatt noen sesonger tidligere. Mannskapet ryddet hyttene og steinresten under. 4. november 1922 snublet den unge vanngutten deres ved et uhell på en stein som viste seg å være toppen av et trappetrinn kuttet i berggrunnen. Carter fikk trinnene delvis gravd ut til toppen av en sølepusset døråpning ble funnet. Døråpningen ble stemplet med utydelige kartusjer (ovale sel med hieroglyfisk skrift). Carter beordret at trappen skulle fylles på nytt, og sendte et telegram til Carnarvon, som ankom fra England to og en halv uke senere 23. november, ledsaget av datteren Lady Evelyn Herbert.

24. november 1922 ble trappens fulle utstrekning ryddet og en forsegling som inneholder Tutankhamuns cartouche funnet på den ytre døren. Denne døren ble fjernet og den ruinfylte korridoren bak ble ryddet og avslørte døren til selve graven. 26. november Carter , med Carnarvon, Lady Evelyn og assistent Arthur Callender til stede, gjorde et «lite brudd i øverste venstre hjørne» av døråpningen ved å bruke en meisel som bestemoren hadde gitt ham til sin 17-årsdag. Han var i stand til å kikke inn ved lyset og se at mange av gull- og ibenholtskattene fremdeles var på plass. Han visste ennå ikke om det var «en grav eller bare en gammel cache», men han så en lovende forseglet døråpning mellom to sentineller Carnarvon spurte: «Kan du se noe?» Carter repl alle med de berømte ordene: “Ja, fantastiske ting!” Carter hadde faktisk oppdaget Tutankhamuns grav (senere kalt KV62). Graven ble deretter sikret for å komme inn i nærvær av en tjenestemann fra det egyptiske departementet for antikviteter neste dag. Men den kvelden gjorde Carter, Carnarvon, Lady Evelyn og Callender tilsynelatende et uautorisert besøk, og ble de første menneskene i moderne tid som kom inn i graven. Noen kilder antyder at gruppen også gikk inn i det indre gravkammeret. I denne beretningen ble det funnet et lite hull i kammeret «forseglet døråpning og Carter, Carnarvon og Lady Evelyn kravlet seg gjennom.

Neste morgen, 27. november, så en inspeksjon av graven i nærvær av en egyptisk tjenestemann. Callender rigget opp elektrisk belysning og belyste en enorm rekke ting, inkludert forgylte sofaer, kister, troner og helligdommer. De så også bevis på ytterligere to kamre, inkludert den forseglede døren til det indre gravkammeret, bevoktet av to livstørrelsesstatuer av Tutankhamun. Til tross for bevis på innbrudd i eldgamle tider var graven praktisk talt intakt, og til slutt ble det funnet at den inneholdt over 5000 gjenstander.

Den 29. november ble graven offisielt åpnet i nærvær av en rekke inviterte dignitarier og egyptiske embetsmenn.

Realisering av størrelsen og omfanget av oppgaven fremover, Carter søkte hjelp fra Albert Lythg oe fra Metropolitan Museums utgravningsteam, som jobber i nærheten, og som godtok enige om å låne ut en rekke av sine ansatte, inkludert Arthur Mace og arkeologisk fotograf Harry Burton, mens den egyptiske regjeringen lånte analytisk kjemiker Alfred Lucas. De neste månedene ble brukt til å katalogisere og bevare innholdet i forkammeret under «ofte stressende» tilsyn av Pierre Lacau, generaldirektør for Avdeling for antikviteter i Egypt. 16. februar 1923 åpnet Carter den forseglede døråpningen og bekreftet at den førte til et gravkammer som inneholder sarkofagen til Tutankhamun.Graven ble ansett som den best bevarte og mest intakte faraoniske grav som noensinne er funnet i Kongedalen, og oppdagelsen ble ivrig dekket av verdens presse. Imidlertid, til stor irritasjon for andre aviser, solgte Lord Carnarvon eksklusive rapporteringsrettigheter til The Times. Bare HV Morton fra denne avisen var tillatt på scenen, og hans livlige beskrivelser bidro til å etablere Carters rykte hos den britiske offentligheten.

Mot slutten av februar 1923, et brudd mellom Lord Carnarvon og Carter, sannsynligvis forårsaket av en uenighet om hvordan de skulle administrere de tilsynsførende egyptiske myndighetene, stoppet utgravningen midlertidig. Arbeidet startet på nytt i begynnelsen av mars etter at Lord Carnarvon ba Carter om unnskyldning. Senere den måneden fikk Lord Carnarvon blodforgiftning mens han bodde i Luxor nær gravstedet. Han døde i Kairo 5. april 1923. Lady Carnarvon beholdt sin avdøde ektemanns konsesjon i Kings of the Valley, slik at Carter kunne fortsette sitt arbeid.

Carters omhyggelige vurdering og katalogisering av tusenvis av gjenstander i graven tok nesten ti år, de fleste ble flyttet til Egyptisk museum i Kairo. Det var flere pauser i arbeidet, inkludert en som varte nesten et år i 1924–25, forårsaket av en tvist om det Carter så på som overdreven kontroll av utgravningen fra den egyptiske antikvitetstjenesten. De egyptiske myndighetene ble til slutt enige om at Carter skulle fullføre gravens klarering. Dette fortsatte til 1929, med noe endelig arbeid som varte til februar 1932.

Til tross for betydningen av hans arkeologiske funn, mottok Carter ingen ære fra I 1926 mottok han imidlertid Nilenes orden, tredje klasse, fra kong Fuad I av Egypt. Han ble også tildelt en æresgrad for doktorgrad i vitenskap ved Yale University og æresmedlemskap i Real Academia de la Historia av Madrid, Spania.

Carter skrev en rekke bøker om egyptologi i løpet av sin karriere, inkludert Five Years «Exploration at Thebes, co-skrevet med Lord Carnarvon i 1912, som beskriver deres tidlige utgravninger, og en tre- volum populær beretning om oppdagelsen og utgravningen av Tutankhamuns grav. Han leverte også en serie illustrerte foredrag om utgravningen, inkludert en 1924-tur i Storbritannia, Frankrike, Spania og USA. De i New York City og andre amerikanske byer deltok av et stort og entusiastisk publikum, som utløste amerikansk Egyptomania.