3 października 2014 roku, po ponad trzech latach nieobecności w kadrze, Carvalho został powołany przez świeżo powołanego trenera Portugalii Fernando Santosa na towarzyski mecz z Francją i mecz eliminacyjny do Euro 2016 z Danią. 29 marca 2015 r., w eliminacjach z Serbią, strzelił pierwszego gola od ponad ośmiu lat w wygranym u siebie meczu 2:1. W wieku 38 lat był najstarszym zawodnikiem grającym w polu podczas finałów Euro 2016 we Francji. Sam turniej Carvalho rozpoczął grając we wszystkich trzech meczach fazy grupowej swojej drużyny, ale został wycofany z początkowego składu w fazach pucharowych, a w jego miejsce wszedł inny środkowy obrońca – José Fonte. Portugalii udało się wygrać turniej, pokonując gospodarzy 1-0 w finale w dogrywce, a Carvalho pozostał na ławce rezerwowych.