Em 1907, ele começou a trabalhar para Lord Carnarvon, que o contratou para supervisionar a escavação de tumbas de nobres em Deir el-Bahri, perto de Tebas. Gaston Maspero, chefe do Serviço de Antiguidades Egípcias, recomendou Carter a Carnarvon como ele sabia aplicaria métodos arqueológicos modernos e sistemas de registro.

Em 1914, Lord Carnarvon recebeu a concessão para cavar no Vale dos Reis. Carter foi novamente contratado para liderar o trabalho. Ele empreendeu uma busca sistemática por quaisquer tumbas perdidas por expedições anteriores, em particular a do Faraó Tutancâmon. No entanto, as escavações foram logo interrompidas pela Primeira Guerra Mundial, e Carter passou os anos da guerra trabalhando para o governo britânico como mensageiro diplomático e tradutor. Ele retomou sua escavação com entusiasmo trabalho de ação no final de 1917.

Em 1922, Lord Carnarvon estava insatisfeito com a falta de resultados, após vários anos sem encontrar poucos. Depois de considerar retirar seu financiamento, Carnarvon concordou, após uma discussão com Carter, que financiaria mais uma temporada de trabalho no Vale dos Reis.

Carter voltou ao Vale dos Reis e investigou uma linhagem de cabanas que ele havia abandonado algumas temporadas antes. A equipe limpou as cabanas e os destroços de rocha abaixo. Em 4 de novembro de 1922, seu jovem menino da água acidentalmente tropeçou em uma pedra que revelou ser o topo de um lance de escadas cortado na rocha. Carter teve os degraus parcialmente escavados até que o topo de uma porta coberta de lama foi encontrado. A entrada estava marcada com cártulas indistintas (selos ovais com escrita hieroglífica). Carter ordenou que a escada fosse reabastecida e enviou um telegrama para Carnarvon, que chegou da Inglaterra duas semanas e meia depois, em 23 de novembro, acompanhado de sua filha, Lady Evelyn Herbert.

Em 24 de novembro 1922, toda a extensão da escada foi limpa e um selo contendo a cártula de Tutancâmon encontrado na porta externa. Esta porta foi removida e o corredor cheio de entulho foi limpo, revelando a porta da própria tumba. Em 26 de novembro, Carter , com Carnarvon, Lady Evelyn e assistente Arthur Callender presentes, fez uma “pequena brecha no canto superior esquerdo” da porta, usando um cinzel que sua avó havia lhe dado em seu aniversário de 17 anos. Ele conseguiu espiar dentro à luz de uma vela e ver que muitos dos tesouros de ouro e ébano ainda estavam no lugar. Ele ainda não sabia se era “uma tumba ou apenas um velho esconderijo”, mas viu uma promissora porta selada entre duas sentinelas estátuas. Carnarvon perguntou: “Você pode ver alguma coisa?” Ied com as famosas palavras: “Sim, coisas maravilhosas!” Carter tinha, de fato, descoberto o túmulo de Tutankhamon (posteriormente designado KV62). A tumba foi então protegida, para entrar na presença de um funcionário do Departamento de Antiguidades Egípcio no dia seguinte. No entanto, naquela noite, Carter, Carnarvon, Lady Evelyn e Callender aparentemente fizeram uma visita não autorizada, tornando-se as primeiras pessoas nos tempos modernos a entrar na tumba. Algumas fontes sugerem que o grupo também entrou na câmara mortuária interna. Neste relato, um pequeno buraco foi encontrado na porta selada da câmara e Carter, Carnarvon e Lady Evelyn rastejaram por ele.

Na manhã seguinte, 27 de novembro, vi uma inspeção da tumba na presença de um oficial egípcio. Callender instalou iluminação elétrica, iluminando uma vasta coleção de itens, incluindo sofás, baús, tronos e santuários dourados. Eles também viram evidências de duas outras câmaras, incluindo a entrada selada para a câmara funerária interna, guardada por dois estátuas em tamanho real de Tutancâmon. Apesar das evidências de invasões nos tempos antigos, a tumba estava praticamente intacta e, no final das contas, foi encontrada a conter mais de 5.000 itens.

Em 29 de novembro, a tumba foi oficialmente aberto na presença de vários dignitários convidados e funcionários egípcios.

Percebendo o tamanho e o escopo da tarefa à frente, Carter procurou a ajuda de Albert Lythg um membro da equipe de escavação do Metropolitan Museum, trabalhando nas proximidades, que prontamente concordou em emprestar vários de seus funcionários, incluindo Arthur Mace e o fotógrafo arqueológico Harry Burton, enquanto o governo egípcio emprestou o químico analítico Alfred Lucas. Os meses seguintes foram gastos catalogando e conservando o conteúdo da antecâmara sob a supervisão “muitas vezes estressante” de Pierre Lacau, diretor-geral do Departamento de Antiguidades do Egito. Em 16 de fevereiro de 1923, Carter abriu a porta lacrada e confirmou que conduzia a uma câmara mortuária, contendo o sarcófago de Tutancâmon.A tumba foi considerada a tumba faraônica mais bem preservada e mais intacta já encontrada no Vale dos Reis, e a descoberta foi avidamente coberta pela imprensa mundial. No entanto, para a irritação de outros jornais, Lord Carnarvon vendeu direitos exclusivos de reportagem para o The Times. Apenas HV Morton daquele jornal teve permissão para entrar em cena, e suas descrições vívidas ajudaram a estabelecer a reputação de Carter junto ao público britânico.

No final de fevereiro de 1923, uma rixa entre Lord Carnarvon e Carter, provavelmente causado por um desacordo sobre como gerenciar as autoridades egípcias de supervisão, interromperam temporariamente a escavação. O trabalho recomeçou no início de março, depois que Lord Carnarvon se desculpou com Carter. Mais tarde naquele mês, Lord Carnarvon contraiu um envenenamento do sangue enquanto permanecia em Luxor perto do local do túmulo. Ele morreu no Cairo em 5 de abril de 1923. Lady Carnarvon manteve a concessão de seu falecido marido no Vale dos Reis, permitindo que Carter continuasse seu trabalho.

A avaliação meticulosa de Carter e catalogação dos milhares de objetos na tumba levaram quase dez anos, a maioria sendo transferida para o Museu Egípcio no Cairo. Houve várias interrupções no trabalho, incluindo uma que durou quase um ano em 1924–25, causada por uma disputa sobre o que Carter viu como controle excessivo da escavação pelo Serviço de Antiguidades Egípcias. As autoridades egípcias finalmente concordaram que Carter deveria completar a limpeza da tumba. Isso continuou até 1929, com alguns trabalhos finais durando até fevereiro de 1932. Apesar da importância de seu achado arqueológico, Carter não recebeu nenhuma homenagem do Governo britânico. No entanto, em 1926, ele recebeu a Ordem do Nilo, terceira classe, do Rei Fuad I do Egito. Ele também foi agraciado com um título honorário de Doutor em Ciências pela Universidade de Yale e membro honorário da Real Academia de la Historia de Madrid, Espanha.

Carter escreveu vários livros sobre egiptologia durante sua carreira, incluindo Five Years “Exploration at Thebes, co-escrito com Lord Carnarvon em 1912, descrevendo suas primeiras escavações, e três volume relato popular da descoberta e escavação da tumba de Tutankhamon. Ele também deu uma série de palestras ilustradas sobre a escavação, incluindo uma excursão em 1924 pela Grã-Bretanha, França, Espanha e Estados Unidos. Aqueles na cidade de Nova York e em outras cidades dos EUA foram atendidos por um público grande e entusiasmado, gerando a egiptomania americana.