Erste internationale Erfahrungen sammelte Carlos Lemos im Jahr 2013, als er bei den Südamerikameisterschaften in Cartagena in 46,78 s den vierten Platz über 400 Meter belegte und mit der kolumbianischen 4-mal-400-Meter-Staffel in 3:06,25 min die Silbermedaille hinter dem Team aus Brasilien gewann. Anschließend siegte er in 3:05,43 min mit der Staffel bei den Juegos Bolivarianos in Trujillo. Im Jahr darauf nahm er an den Südamerikaspielen in Santiago de Chile teil und belegte dort in 47,07 s den siebten Platz über 400 Meter und gewann im Staffelbewerb in 3:10,15 min die Bronzemedaille hinter den Teams aus Brasilien und Venezuela. Anschließend erreichte er beim Panamerikanischen Sportfestival in Mexiko-Stadt nach 45,71 s Rang sechs und auch bei den Zentralamerika- und Karibikspielen in Xalapa wurde er in 46,64 s Sechster. Zudem gewann er dort in 3:02,52 min die Bronzemedaille hinter den Teams aus Kuba und Venezuela. Bei den IAAF World Relays 2015 auf den Bahamas schied er mit 3:06,48 min im Vorlauf der 4-mal-400-Meter-Staffel aus. Anschließend belegte er bei den Südamerikameisterschaften in Lima in 46,29 s den vierten Platz und gewann mit der 4-mal-100-Meter-Staffel in 40,80 s die Bronzemedaille hinter Ecuador und Venezuela. Im Jahr darauf schied er bei den Ibero-Amerikanischen Meisterschaften in Rio de Janeiro mit 46,28 s in der Vorrunde über 400 Meter aus, siegte aber in 3:01,88 min in der 4-mal-400-Meter-Staffel. Anschließend nahm er mit der Staffel an den Olympischen Spielen ebendort teil und verpasste dort mit 3:01,84 min den Finaleinzug.