Före detta England fladdermöss Carberry slog 50 av 36 bollar som Perth gjorde 144-7 trots en jungfru i finalen över.
Pietersen, som sköt en fantastisk sexa med en strömbrytare, och Luke Wright båda gjorde 31 men besökssidan var alla ute för 126 i finalen över.
Perth kommer att spela Brett Lee's Sydney Sexers i onsdagens final.
Matchen i Canberra blir Australiens paceman sista tävlingsmatch innan han går i pension.
Det var buor ringer ut från en vocolumer hem kontingent när deras svansen Andrew Tye svingade och missade vid sex nästan identiska långsammare leveranser från Clint McKay i slutet av Perth innings.
Pietersen såg ut att vägleda sitt lag till seger men med 57 behövs från 32 bollar blev femte wicket att falla när han avancerade ner för att paceman Nathan Coulter-Nile och kantade till Wicketkeeper.
Tye försonades för sitt slag med superb långsammare bollar av egen för att återvända 4-15 från sina fyra overs och ta Perth till sin fjärde på varandra följande final som stjärnorna, som hade vunnit fem matcher i rad i denna kampanj, förlorade sin fjärde BBL semi-final.
På lördagen, Australien T20 vänsterhänt Nic Maddison inspirerade Sydney Sexers till en omfattande 87-run seger över Adelaide Strikers i den första semifinalen, med sju fyror och fem sexor i hans 85 från 48 bollar.
Sydney gjorde 181-4 efter att ha valt att fladdra och sedan avfärdade Adelaide för 94 inuti 15 overs, med burly vänster-arm seamer Doug Bollinger tar 3-21 och Sean Abbott hävdar 2-14.
Sexarna har också före detta Englandöppnare Michael Lumb, och Carberrys tidigare Hampshire team-kamrat, i deras sida.
Michael Carberry hjälpte Perth Scorchers slå Kevin Pietersens Melbourne Stars vid 18 körningar vid Waca och nå Australian Big Bash League final.