Carvalho gjorde sin debut i landslaget 19 november 2013 i den andra playoff-matchen till VM 2014 mot Sverige, som Portugal vann med 3–2. Han var uttagen i Portugals trupp till EM 2016, när de tog guld. Han var även med när Portugal tog brons i Confederations Cup 2017 och spelade både VM 2014 och 2018.