Der 29-Jährige stammt aus der Jugend der Königlichen, bei denen er 2013 unter Carlo Ancelotti sein Profdebüt gab. Die Saison 2012/13 verbrachte Carvajal per Leihe bei Bayer Leverkusen.
Mit der Verlängerung Carvajals verhindert Real einen zweiten Fall Raphael Varane, mit dem sich die Madrilenen nicht auf eine Ausdehnung seines Vertrages einigen konnten und ihn dann zu Manchester United transferierten.