Carvalho durchlief die portugiesischen Jugendnationalmannschaften. Am 19. November 2013 debütierte er im Rahmen des Play-Off-Rückspiels zur WM-Qualifikation gegen Schweden unter Nationaltrainer Paulo Bento in der A-Nationalmannschaft. Bei der U21-Europameisterschaft 2015 erreichte er mit Portugal den zweiten Platz und wurde zum Spieler des Turniers gewählt.