Carvajal là phương án dự phòng của Martín Montoya của Barcelona tại UEFA European U-21 Championship 2013, chơi trong trận đấu thắng 3-0 trước Hà Lan trong vòng bảng giúp Tây Ban Nha đi vào vòng trong.[14] Anh đã được lựa chọn bởi huấn luyện viên Vicente del Bosque cho 30 người trong đội hình tạm thời cho FIFA World Cup 2014, được chọn cùng với tất cả các cầu thủ Real Madrid và Atlético Madrid khác từ trận đấu khởi động với Bolivia vào ngày 30 tháng 5, và bị bỏ đi trong danh sách cuối cùng vào ngày hôm sau.[15]

Ngày 29 tháng 8 năm 2014, anh được gọi vào đội tuyển lần đầu tiên, cho các trận đấu với Pháp và Macedonia.[16] Anh đã ra mắt vào ngày 4 tháng 9 trong trận giao hữu thua 1-0 trước Pháp.[17]