Nachdem Paulo Bento im September 2014 entlassen und durch Fernando Santos ersetzt worden war, wurde der zu diesem Zeitpunkt 36-jährige Carvalho knapp drei Jahre nach seiner Suspendierung umgehend wieder in den Kader der Nationalmannschaft berufen. Daraufhin nahm Carvalho 2016 als ältester Spieler im Kader nochmals an der Europameisterschaft teil und kam bei dieser in allen Gruppenspielen zum Einsatz. Portugal erreichte in der Folge das Finale und gewann erstmals den Europameistertitel. Im Anschluss beendete Carvalho seine Nationalmannschaftskarriere.