Den 49-årige portugisen ersätter Stuart Gray, som skiljde sig från mästerskapssidan den 11 juni efter 18 månader i Hillsborough.
Carvalhal har lyckats i stor utsträckning i Portugal och hade även en trollformel med ansvar för den turkiska klubben Besiktas.
"Jag tror fullt och fast att denna utnämning kommer att ta vårt team och vår klubb till nästa nivå", sade Owls ordförande Dejphon Chansiri, som tog över i mars.
BBC Radio Sheffield säger att onsdag vill Swindon Town chefen Mark Cooper att hjälpa Carvalhal, som kommer att avtäckas formellt på torsdag och tar över en sida som slutade 13 i den andra nivån förra säsongen.
Onsdagen har inte varit i toppflyget sedan den förvisades 1999-2000 och Chansiri har riktat in sig på marknadsföring under de kommande två säsongerna.
"Det är viktigt för våra supportrar att de ser sitt lag spela attraktiva, aggressiva och underhållande fotboll," tillade han på klubbens webbplats.
"Carlos köper in sig helt till denna filosofi och jag är säker på att hans erfarenhet, kunskap och förmåga kommer att förebåda början på en framgångsrik ny era för Sheffield onsdag."
Cooper, 46, har varit ansvarig för Swindon för de senaste två säsongerna och ledde dem till League One play-off final förra säsongen.
Joao Mario, Joao Cunha och Bruno Lage har redan utsetts bland Carvalhals personal på baksidan.
Sheffield onsdag har döpt Carlos Carvalhal till klubbens nya huvudtränare.