Carvajal sloot zich toen hij tien jaar oud was aan bij de jeugdopleiding van Real Madrid. In 2010 kwam hij in Real Madrid Castilla terecht, het tweede elftal van Real Madrid. Daar werd hij in zijn eerste seizoen meteen tot aanvoerder benoemd. In het seizoen erna speelde hij 38 wedstrijden en hielp hij het team samen met onder meer Joselu, Jesé Rodríguez en Denis Tsjerysjev voor het eerst in vijf jaar promoveren naar de Segunda División A.
Op 11 juli 2012 tekende Carvajal een vijfjarig contract voor Bayer Leverkusen, zonder ook maar één wedstrijd voor het eerste elftal van Real Madrid gespeeld te hebben. Leverkusen betaalde vijf miljoen euro. Een clausule in zijn contract zorgt ervoor dat Real Madrid Carvajal na één jaar kan terugkopen voor 6,5 miljoen euro, na twee jaar voor zeven miljoen euro of na drie jaar voor 8,5 miljoen euro.
Op 3 juni 2013 maakte Real Madrid bekend dat het Carvajal reeds na één jaar terughaalde. Real betaalde zesenhalf miljoen euro, zoals contractueel voorzien was. Hij tekende een contract tot medio 2019. Carvajal zou de concurrentie op de rechtsbackpositie aangaan met international Álvaro Arbeloa. Op 24 mei 2014 speelde hij de volledige finale van de UEFA Champions League 2013/14; de wedstrijd werd na verlenging met 4–1 van Atlético Madrid gewonnen.[1] Carvajal verlengde in juli 2015 zijn contract bij Real Madrid tot medio 2020.[2] Na in het seizoen 2016/17 opnieuw de Champions League te hebben gewonnen, ditmaal ten koste van Juventus FC (4-1), werd hij als een van de achttien spelers opgenomen in het sterrenteam van de UEFA[3]
Carvajal speelde twaalfmaal in de Spaanse jeugdselectie onder 19. Carvajal zat in de selectie tijdens het Europees kampioenschap in 2011, dat Spanje won. Ook in het Spaans voetbalelftal onder 21 kwam hij meerdere malen in actie. Op 4 september 2014 maakte Daniel Carvajal zijn debuut in het Spaans voetbalelftal, in de vriendschappelijke wedstrijd tegen Frankrijk (1–0 winst). Hij speelde het volledige duel.[4] Op 17 mei 2016 werd Carvajal opgenomen in de Spaanse voorselectie voor het Europees kampioenschap 2016 in Frankrijk.[5] Carvajal maakte eveneens deel uit van de Spaanse selectie, die onder leiding van interim-bondscoach Fernando Hierro deelnam aan de WK 2018 in Rusland. Daarop verloor Spanje in de achtste finales na een strafschoppenreeks van Rusland. Carvajal kwam in drie van de vier duels in actie.
Op 11 november 2022 werd bekend dat Carvajal was geselecteerd voor deelname aan het WK 2022 in Qatar.