In 1907 begon hij te werken voor Lord Carnarvon, die hem in dienst nam om toezicht te houden op de opgraving van edele graven in Deir el-Bahri, nabij Thebe. Gaston Maspero, hoofd van de Egyptische Oudheiddienst, had Carter aanbevolen aan Carnarvon omdat hij wist dat hij zou moderne archeologische methoden en opnamesystemen toepassen.

In 1914 ontving Lord Carnarvon de concessie om te graven in de Vallei der Koningen. Carter werd opnieuw aangesteld om het werk te leiden. Hij ondernam een systematische zoektocht naar graven die tijdens eerdere expedities waren gemist, in het bijzonder die van de farao Toetanchamon. Opgravingen werden echter al snel onderbroken door de Eerste Wereldoorlog, en Carter werkte de oorlogsjaren voor de Britse regering als diplomatieke koerier en vertaler. Hij hervatte enthousiast zijn opgraving ationeel werk tegen het einde van 1917.

In 1922 was Lord Carnarvon ontevreden geworden over het gebrek aan resultaten nadat hij verscheidene jaren weinig had gevonden. Nadat hij overwoog zijn financiering in te trekken, stemde Carnarvon na een gesprek met Carter ermee in dat hij nog een seizoen van werk in de Vallei der Koningen zou financieren.

Carter keerde terug naar de Vallei der Koningen en onderzocht een lijn van hutten die hij een paar seizoenen eerder had verlaten. De bemanning ruimde de hutten en rotsafval eronder op. Op 4 november 1922 struikelde hun jonge waterjongen per ongeluk over een steen die de bovenkant van een trap bleek te zijn die in het gesteente was uitgehouwen. Carter had de trap gedeeltelijk uitgegraven totdat de bovenkant van een met modder gepleisterde deuropening werd gevonden. De deuropening was gestempeld met onduidelijke cartouches (ovale zegels met hiëroglifisch schrift). Carter gaf opdracht de trap opnieuw te vullen en stuurde een telegram naar Carnarvon, die tweeënhalve week later, op 23 november, uit Engeland arriveerde, vergezeld van zijn dochter Lady Evelyn Herbert.

Op 24 november In 1922 werd de trap volledig vrijgemaakt en werd een zegel met de cartouche van Toetanchamon gevonden op de buitendeur. Deze deur werd verwijderd en de met puin gevulde gang erachter werd vrijgemaakt, waardoor de deur van het graf zelf werd onthuld. Op 26 november Carter , terwijl Carnarvon, Lady Evelyn en assistent Arthur Callender aanwezig waren, maakte een ‘kleine opening in de linkerbovenhoek’ van de deuropening met een beitel die zijn grootmoeder hem voor zijn 17e verjaardag had gegeven. Hij kon naar binnen kijken bij het licht van een kaars en zag dat veel van de goud- en ebbenhouten schatten nog op hun plaats waren. Hij wist nog niet of het “een tombe was of slechts een oude cache”, maar hij zag wel een veelbelovende verzegelde deuropening tussen twee schildwachten standbeelden. Carnarvon vroeg: “Kun je iets zien?” Carter repl Ie met de beroemde woorden: “Ja, prachtige dingen!” Carter had in feite de tombe van Toetanchamon ontdekt (later KV62 genoemd). Het graf werd vervolgens beveiligd, om de volgende dag in aanwezigheid van een ambtenaar van het Egyptische ministerie van Oudheden te worden betreden. Maar die nacht brachten Carter, Carnarvon, Lady Evelyn en Callender blijkbaar een ongeoorloofd bezoek af en werden ze de eerste mensen in de moderne tijd die het graf binnengingen. Sommige bronnen suggereren dat de groep ook de binnenste grafkamer binnenging. In dit verslag werd een klein gaatje gevonden in de verzegelde deuropening van de kamer en Carter, Carnarvon en Lady Evelyn kropen erdoorheen.

De volgende ochtend, 27 november, zagen we een inspectie van het graf in aanwezigheid van een Egyptische functionaris. Callender monteerde elektrische verlichting en verlichtte een enorme hoeveelheid voorwerpen, waaronder vergulde banken, kisten, tronen en heiligdommen. Ze zagen ook bewijs van nog twee kamers, waaronder de verzegelde deur naar de binnenste grafkamer, bewaakt door twee levensgrote standbeelden van Toetanchamon. Ondanks bewijs van inbraken in de oudheid was de tombe vrijwel intact en er zouden uiteindelijk meer dan 5.000 voorwerpen gevonden worden.

Op 29 november werd de tombe officieel geopend geopend in aanwezigheid van een aantal uitgenodigde hoogwaardigheidsbekleders en Egyptische functionarissen.

Zich de omvang en reikwijdte van de komende taak realiserend, zocht Carter hulp bij Albert Lythg oe van het opgravingsteam van het Metropolitan Museum, dat in de buurt werkte, die bereid was een aantal van zijn medewerkers uit te lenen, waaronder Arthur Mace en archeologisch fotograaf Harry Burton, terwijl de Egyptische regering analytisch chemicus Alfred Lucas leende. De volgende maanden werden besteed aan het catalogiseren en bewaren van de inhoud van de antichambre onder de “vaak stressvolle” supervisie van Pierre Lacau, directeur-generaal van het Departement van Oudheden van Egypte. Op 16 februari 1923 opende Carter de verzegelde deuropening en bevestigde hij dat deze naar een grafkamer leidde, met de sarcofaag van Toetanchamon.Het graf werd beschouwd als het best bewaarde en meest intacte faraonische graf dat ooit in de Vallei der Koningen is gevonden, en de ontdekking werd gretig bericht in de wereldpers. Maar tot ergernis van andere kranten verkocht Lord Carnarvon exclusieve rapportagerechten aan The Times. Alleen HV Morton van die krant werd op het toneel toegelaten, en zijn levendige beschrijvingen hielpen Carters reputatie bij het Britse publiek te vestigen.

Tegen het einde van februari 1923 was er een breuk tussen Lord Carnarvon en Carter, waarschijnlijk veroorzaakt door een meningsverschil over hoe de toezichthoudende Egyptische autoriteiten te beheren, stopten tijdelijk de opgraving. Het werk werd begin maart hervat nadat Lord Carnarvon zijn excuses had aangeboden aan Carter. Later die maand liep Lord Carnarvon bloedvergiftiging op tijdens zijn verblijf in Luxor nabij de tombe. Hij stierf in Caïro op 5 april 1923. Lady Carnarvon behield de concessie van haar overleden echtgenoot in de Vallei der Koningen, waardoor Carter zijn werk kon voortzetten.

Carters nauwgezette beoordeling en catalogisering van de duizenden objecten in het graf duurden bijna tien jaar, waarvan de meeste naar het Egyptisch Museum in Caïro werden verplaatst. Er waren verschillende onderbrekingen in het werk, waaronder een die bijna een jaar duurde in 1924-1925, veroorzaakt door een geschil over wat Carter zag als een buitensporige controle van de opgraving door de Egyptische Oudheiddienst. De Egyptische autoriteiten kwamen uiteindelijk overeen dat Carter de opruiming van het graf zou voltooien. Dit ging door tot 1929, met enig laatste werk dat duurde tot februari 1932.

Ondanks het belang van zijn archeologische vondst, ontving Carter geen eer van de Britse regering. In 1926 ontving hij echter de Orde van de Nijl, derde klasse, van koning Fuad I van Egypte. Hij ontving ook een eredoctoraat van doctor in de wetenschappen aan de Yale University en een erelidmaatschap van de Real Academia de la Historia uit Madrid, Spanje.

Carter schreef tijdens zijn carrière een aantal boeken over egyptologie, waaronder Five Years “Exploration at Thebe, geschreven in samenwerking met Lord Carnarvon in 1912, waarin hij hun vroege opgravingen beschrijft, en een drie- volume populair verslag van de ontdekking en opgraving van het graf van Toetanchamon. Hij hield ook een reeks geïllustreerde lezingen over de opgraving, waaronder een tournee in 1924 door Groot-Brittannië, Frankrijk, Spanje en de Verenigde Staten. De evenementen in New York City en andere Amerikaanse steden werden bijgewoond door een groot en enthousiast publiek, wat leidde tot Amerikaanse Egyptomanie.