Carvajal speelde twaalf maal in de Spaanse jeugdselectie onder 19. Carvajal zat in de selectie tijdens het Europees kampioenschap in 2011, dat Spanje won. Ook in het Spaans voetbalelftal onder 21 kwam hij meerdere malen in actie. Op 4 september 2014 maakte Daniel Carvajal zijn debuut in het Spaans voetbalelftal, in de vriendschappelijke wedstrijd tegen Frankrijk (1–0 winst). Hij speelde het volledige duel. Op 17 mei 2016 werd Carvajal opgenomen in de Spaanse voorselectie voor het Europees kampioenschap 2016 in Frankrijk. Carvajal maakte eveneens deel uit van de Spaanse selectie, die onder leiding van interim-bondscoach Fernando Hierro deelnam aan de WK 2018 in Rusland. Daarop verloor Spanje in de achtste finales na een strafschoppenreeks van Rusland. Carvajal kwam in drie van de vier duels in actie.