Ở tuổi 18, Carvajal được HLV Jose Mourinho triệu tập vào thành phần đội một trong giai đoạn tiền mùa giải 2010/11. Anh cũng được điền tên vào danh sách dự chuyến du đấu Mỹ, nhưng lại bị vận may ngoảnh mặt. Chuyện là ngay trước chuyến đi, trong một buổi đi chơi cùng bạn bè, Carvajal đã bị thương ngón chân, phải khâu và do đó bỏ lỡ toàn bộ chuyến du đấu.

Lần này, mâu thuẫn giữa “Người đặc biệt” và HLV đội trẻ Alberto Toril khiến Carvajal mất cơ hội dự trận đấu cúp cùng Real gặp Ponferradina. Cả 2 HLV trước đó đã thống nhất rằng Carvajal và Alvaro Morata sẽ không chơi nhiều hơn 60 phút cho đội dự bị ở trận đấu với Alcala. Tuy nhiên, thẻ đỏ của Morata khiến Toril buộc phải giữ Carvajal lại trên sân để bảo toàn tỉ số hòa 0-0. Mourinho không hài lòng với quyết định này và Jorge Casado được trao trận ra mắt bên cánh trái đội một Real thay vì Carvajal.

Mourinho yêu cầu CLB bán Carvajal cho Bayer Leverkusen, và quyết định này khiến cầu thủ khi ấy mới 20 tuổi không hài lòng. “Tôi nghĩ tôi đã có đầy đủ sự chuẩn bị để góp mặt trong đội một, nhưng Mourinho không tin tưởng tôi”, Carvajal chia sẻ với MARCA.

“Tôi quyết định tạo dựng tên tuổi ở châu Âu, ở một giải đấu khác, hơn là xuống giải hạng hai (Segunda) cùng đội Castilla. Tôi đã ra đi, nhưng vẫn tâm niệm mình sẽ trở lại”. Carvajal chỉ chơi cho Leverkusen 1 mùa trước khi trở lại Real.

Sau khi cùng Real chinh phục cú La Decima (chức vô địch cúp C1/Champions League thứ 10) ở mùa 2013/14, tân binh Danilo tạo ra một cuộc cạnh tranh cho vị trí hậu vệ phải với Carvajal. Rafael Benitez thoạt đầu ưu tiên cầu thủ hiện khoác áo Man City hơn, nhưng rồi tới cuối mùa, Carvajal đã giành lại được suất đá chính, qua đó tiếp tục trở thành nhân tố quan trọng làm nên danh hiệu cúp C1/Champions League thứ 11 trong lịch sử đội bóng Hoàng gia.