W 1907 r. rozpoczął pracę dla lorda Carnarvona, który zatrudnił go do nadzorowania wykopalisk „grobowców szlacheckich w Deir el-Bahri, niedaleko Teb. zastosowałby nowoczesne archeologiczne metody i systemy rejestracji.

W 1914 roku Lord Carnarvon otrzymał koncesję na kopanie w Dolinie Królów. Carter został ponownie zatrudniony do kierowania pracami. Podjął on systematyczne poszukiwania wszelkich grobów pominiętych podczas poprzednich wypraw. zwłaszcza faraona Tutanchamona. Jednak wykopaliska zostały wkrótce przerwane przez pierwszą wojnę światową, kiedy Carter spędził lata wojny pracując dla rządu brytyjskiego jako kurier dyplomatyczny i tłumacz. Z entuzjazmem wznowił wykopaliska pod koniec 1917 roku.

W 1922 roku lord Carnarvon był niezadowolony z braku wyników po kilku latach, w których niewiele znajdował. Po rozważeniu wycofania swojego finansowania Carnarvon zgodził się, po dyskusji z Carterem, że sfinansuje jeszcze jeden sezon pracy w Dolinie Królów.

Carter wrócił do Doliny Królów i zbadał kwestię chat, które opuścił kilka sezonów wcześniej. Załoga wyczyściła chaty i gruz skalny pod spodem. 4 listopada 1922 roku ich młody wodnik przypadkowo natknął się na kamień, który okazał się wierzchołkiem schodów wykutych w skale. Carter kazał częściowo wykopać stopnie, aż znaleziono szczyt pokrytych błotem drzwi. Na drzwiach widniały niewyraźne kartusze (owalne pieczęcie z hieroglifami). Carter nakazał uzupełnienie schodów i wysłał telegram do Carnarvon, który przybył z Anglii dwa i pół tygodnia później, w towarzystwie swojej córki Lady Evelyn Herbert.

24 listopada W 1922 roku udrożniono całą klatkę schodową, a na zewnętrznych drzwiach znaleziono pieczęć zawierającą kartusz Tutenchamona. Te drzwi usunięto, a wypełniony gruzem korytarz za nimi oczyszczono, odsłaniając drzwi samego grobowca. 26 listopada Carter , z Carnarvonem, Lady Evelyn i asystentem Arthurem Callenderem, dokonał „małego wyłamania w lewym górnym rogu” drzwi, używając dłuta, które dostał od babci na jego 17. urodziny. Był w stanie zajrzeć do środka przy świetle świecy i zobaczył, że wiele skarbów ze złota i hebanu wciąż było na swoim miejscu. Nie wiedział jeszcze, czy to był „grobowiec, czy tylko stara skrytka”, ale zobaczył obiecujące zapieczętowane drzwi między dwoma wartownikami „Czy widzisz coś?” zapytał Carnarvon i ze słynnymi słowami: „Tak, cudowne rzeczy!” Carter faktycznie odkrył grobowiec Tutenchamona (później oznaczony jako KV62). Następnie zabezpieczono grób, aby następnego dnia wejść do niego w obecności urzędnika egipskiego Departamentu Starożytności. Jednak tej nocy Carter, Carnarvon, Lady Evelyn i Callender najwyraźniej złożyli nieautoryzowaną wizytę, stając się pierwszymi współczesnymi ludźmi, którzy weszli do grobowca. Niektóre źródła sugerują, że grupa weszła również do wewnętrznej komory grobowej. W tej relacji znaleziono małą dziurę w zapieczętowanych drzwiach komory, przez którą przeszli Carter, Carnarvon i Lady Evelyn.

Następnego ranka, 27 listopada, obejrzeli grobowiec w obecności egipski urzędnik. Callender ustawił oświetlenie elektryczne, oświetlając olbrzymią ilość przedmiotów, w tym pozłacane kanapy, skrzynie, trony i kapliczki. Zobaczyli także ślady dwóch dalszych komnat, w tym zapieczętowane drzwi do wewnętrznej komory grobowej, strzeżone przez dwóch naturalnej wielkości posągi Tutanchamona. Pomimo dowodów włamań w czasach starożytnych, grobowiec był praktycznie nienaruszony i ostatecznie okazało się, że zawiera ponad 5000 przedmiotów.

29 listopada grób został oficjalnie otwarto w obecności wielu zaproszonych dostojników i urzędników egipskich.

Zdając sobie sprawę z rozmiarów i zakresu czekającego go zadania, Carter zwrócił się o pomoc do Alberta Lythga oe z zespołu wykopaliskowego Metropolitan Museum, pracującego w pobliżu, który chętnie zgodził się na wypożyczenie kilku swoich pracowników, w tym Arthura Mace’a i fotografa archeologicznego Harry’ego Burtona, podczas gdy rząd egipski pożyczył chemika analitycznego Alfreda Lucasa. Przez kilka następnych miesięcy katalogowano i konserwowano zawartość przedpokoju pod „często stresującym” nadzorem Pierre’a Lacau, dyrektora generalnego Departamentu Starożytności Egiptu. W dniu 16 lutego 1923 roku Carter otworzył zapieczętowane drzwi i potwierdził, że prowadzą one do komory grobowej zawierającej sarkofag Tutenchamona.Grobowiec został uznany za najlepiej zachowany i najbardziej nienaruszony grobowiec faraonów, jaki kiedykolwiek znaleziono w Dolinie Królów, a odkrycie było chętnie omawiane przez światową prasę. Jednak ku irytacji innych gazet Lord Carnarvon sprzedał wyłączne prawa do publikacji do The Times. Tylko HV Morton z tej gazety został dopuszczony na miejsce zdarzenia, a jego żywe opisy pomogły ustalić reputację Cartera wśród brytyjskiej opinii publicznej.

Pod koniec lutego 1923 r. Carnarvon i Carter, prawdopodobnie spowodowane sporem co do sposobu zarządzania nadzorującymi władzami egipskimi, tymczasowo wstrzymali wykopaliska. Prace zostały wznowione na początku marca, po tym, jak Lord Carnarvon przeprosił Cartera. W tym samym miesiącu Lord Carnarvon nabawił się zatrucia krwi, gdy przebywał w Luksorze w pobliżu grobowca. Zmarł w Kairze 5 kwietnia 1923 r. Lady Carnarvon zachowała koncesję swojego zmarłego męża w Dolinie Królów, pozwalając Carterowi kontynuować jego pracę.

Skrupulatne oszacowanie i skatalogowanie przez Cartera tysięcy przedmioty w grobowcu zajęły prawie dziesięć lat, większość przeniesiono do Muzeum Egipskiego w Kairze. W pracy doszło do kilku przerw, w tym jedna trwająca prawie rok w latach 1924–25, spowodowana sporem o to, co Carter uznał za nadmierną kontrolę wykopalisk przez egipską Służbę Starożytności. Władze egipskie ostatecznie zgodziły się, że Carter powinien ukończyć oczyszczanie grobowca. Trwało to do 1929 r., A niektóre prace końcowe trwały do lutego 1932 r.

Pomimo znaczenia znaleziska archeologicznego Carter nie otrzymał żadnego honoru od Rząd brytyjski. Jednak w 1926 r. Otrzymał Order Nilu III klasy od króla Egiptu Fuad I. Został również nagrodzony honorowym tytułem doktora nauk na Uniwersytecie Yale oraz członkostwem honorowym w Real Academia de la Historia. Madrytu, Hiszpania.

Carter napisał wiele książek o egiptologii w czasie swojej kariery, w tym Five Years „Exploration at Thebes, napisane wspólnie z Lordem Carnarvonem w 1912 r., opisujące ich wczesne wykopaliska, oraz trzy- tom popularna relacja z odkrycia i wykopania grobowca Tutanchamona. Wygłosił także serię ilustrowanych wykładów na temat wykopalisk, w tym podróż w 1924 roku po Wielkiej Brytanii, Francji, Hiszpanii i Stanach Zjednoczonych. W Nowym Jorku i innych miastach Stanów Zjednoczonych uczestniczyła liczna i entuzjastyczna publiczność, co rozpaliło amerykańską egiptomanię.