FC Porto (1997-2004)

Carvalho khởi nghiệp trong màu áo FC Porto từ năm 1998 và đã thể hiện được những tố chất để trở thành một cầu thủ lớn trên thế giới. Mùa giải 2003-2004 Carvalho đoạt được cú đúp vô địch Primeira Liga và UEFA Champions League cùng với Porto. Anh được bầu chọn là hậu vệ xuất sắc nhất tại Champions League năm đó. Với những kết quả trên, Chelsea F.C. đã mang anh về sân Stamford Bridge với giá 19,85 triệu bảng Anh và Carvalho trở thành người Bồ Đào Nha thứ ba Chelsea có được sau Paulo Ferreira và huấn luyện viên José Mourinho.

Chelsea (2004-2010)

Tại câu lạc bộ mới Carvalho vẫn thể hiện được phong độ đỉnh cao và góp phần giúp Chelsea có được 2 danh hiệu vô địch Premier League và Cúp Liên đoàn. Carvalho có bàn thắng đầu tiên cho Chelsea trong trận thắng 3-1 với Norwich.

Mùa giải 2005-2006 bắt đầu với Carvalho không được phẳng lặng với những mâu thuẫn không đáng có với Mourinho nhưng cuối cùng anh vẫn được ra sân vào khoảng tháng 9 và ghi bàn thắng thứ hai cho Chelsea tại Champions League trong chiến thắng 4-0 trước Real Betis. Carvalho nhận chiếc thẻ đỏ đầu tiên tại Chelsea vào tháng 1 năm 2006 trong trận derby với Fulham F.C.. Đến tháng 4 năm 2006 Carvalho ghi bàn thắng thứ 3 trong chiến thắng 3-0 trước Manchester United đồng nghĩa với việc kết liễu "Quỷ đỏ" trong cuộc đua tới ngôi vô địch năm 2006.

Ngày 18 tháng 5 năm 2007 trong lần sinh nhật thứ 9 của mình Carvalho đã ký một hợp đồng 5 năm với Chelsea.

Real Madrid (2010-2013)

Vào ngày 10 tháng 8 năm 2010, Real Madrid đã ký hợp đồng có thời hạn 2 năm trị giá 8 triệu euro với Carvalho, có điều khoản kéo dài thêm 1 năm.