NBAドラフトではレブロン・ジェームズ、ダーコ・ミリチッチに次いで、デンバー・ナゲッツに全体3位で指名された。カーメロはルーキーシーズンの開幕戦から先発に抜擢され、6試合目には早くも30得点をあげ、当時30得点以上をあげた史上2番目に若い選手となり（最年少はコービー・ブライアント）、2月9日のメンフィス・グリズリーズ戦では20得点をあげ、通算1000得点を史上3番目の若さで達成した。カーメロは史上4人目となる、6ヶ月全てのルーキー・オブ・ザ・マンスを独占（イースタンではレブロン・ジェームズが同様に独占）し、週間MVPにも2度選ばれるなど、新人らしからぬ活躍を見せ、このシーズンは新人の中では1位、全体でも12位となる平均21.0得点をあげ、平均6.0リバウンドを記録した。チームも前年の17勝65敗という酷い不振から43勝39敗という大躍進を遂げ、実に9年ぶりとなるプレーオフ進出も果たした。新人王争いではレブロンとの一騎討ちとなり、個人成績でもチーム成績でも上回るカーメロが有力視されていたが、投票では惜しくもレブロンに譲ったが、カーメロこそ新人王に相応しいとの声も多く挙がった。プレーオフ1回戦ではミネソタ・ティンバーウルブズと対戦し、1勝4敗で完敗。華々しいNBAキャリアをスタートさせたカーメロだが、プレーオフではこの1回戦の壁に苦労することになる。第3戦では24得点10リバウンドのダブル・ダブルをプレーオフ史上最年少の19歳331日で達成。翌2004-05シーズンは調整不足が原因で体重オーバーのままシーズンに突入。シーズン前半は大苦戦し、プレーオフ進出も危ぶまれたが、ヘッドコーチがジョージ・カールに変わってから一転。オールスター後、リーグ1位の勝率と怒濤の巻き返しの末に第7シードでプレーオフに進出した。オールスターのNBAルーキーチャレンジでは31得点をあげ、MVPを獲得している。プレーオフではこの年のチャンピオンのサンアントニオ・スパーズとのシリーズに先勝したものの、その後、カーメロがブルース・ボウエンによってうまく封じ込まれ、4連敗でシリーズを終えた。前年成績が伸び悩んだカーメロは2005-06シーズンに入るとシュートセレクションの改善に大きく成功し、平均26.5得点を記録して初のオールNBA3rdチームに選出される。3月17日のメンフィス・グリズリーズ戦では30得点をあげてレブロンに次ぐ史上2番目の早さで通算5000得点を達成した。3月第2週には週間MVPを獲得するが、この期間中カーメロは5本のウィニングショットを決めるという勝負強さを発揮している。チームは故障者続出の影響でカーメロが加入して以来初めて勝率を落として44勝38敗の成績に終わり、プレーオフではまた1回戦でロサンゼルス・クリッパーズの前に1勝4敗で敗退した。オフにはナゲッツと5年8000万ドルで契約延長し、世界選手権にアメリカ代表として出場。主に得点面で大きく活躍し、2006-07シーズンはその勢いを維持したまま突入。シーズン序盤にはアレックス・イングリッシュの持つ6試合連続30得点以上達成というチーム記録に並ぶなどし、得点王レースではコービー・ブライアントとトップ争いを演じた。しかし12月16日のニューヨーク・ニックス戦での乱闘騒ぎでマーディー・コリンズを殴ったカーメロは15試合の出場停止処分を受ける羽目になった。しかしその間ナゲッツはフィラデルフィア・セブンティシクサーズとトレードを行い、アンドレ・ミラーらとの交換で大物選手のアレン・アイバーソンの獲得に成功。当時得点王ランキング1位と2位につけていたカーメロとアイバーソンのデュオは、リーグ最強のスコアリングデュオとして大きな注目を集めるようになった。カーメロ個人はアイバーソンと得点機会を分け合うことになったため、得点王レースではブライアントに破れ2位に終わったが、28.9得点6.0リバウンドの好記録を残し、2年連続でオールNBA3rdチームに選ばれた。2月2日にはチームメイトのJ.R.スミスが運転する車が事故に遭い、その車にカーメロも同乗していたが（車はカーメロ所有のもの）、3日後の試合では31得点10リバウンド10アシストをあげてキャリア初のトリプル・ダブルを達成し、事故の影響を微塵も見せなかった。待たされたオールスターゲームにも、故障者の代理という形ではあるが、ようやく初出場を果たしており、20得点9リバウンドをあげている（ナゲッツにとっては2001年のアントニオ・マクダイス以来のオールスター選手）。カーメロの活躍やアイバーソンの移籍と大きな話題が続いたが、ナゲッツ自体はカーメロの出場停止処分や前年に引き続き故障者の続出で45勝37敗の平凡な成績に終わり、プレーオフではまたしても1回戦でスパーズの前に敗退した。2007-08シーズンのナゲッツは1987-88シーズン以来の50勝超えとなる50勝32敗を記録するが、プレーオフは5年連続1回戦敗退となり、カーメロ&アイバーソンのデュオは期待されたほどの効果を見せることはなかった。カーメロ自身は25.7得点7.4リバウンドと上々の数字を残すが、オールNBAチームの選考からは漏れ、またプレーオフ期間中には飲酒運転で捕まるなどチームキャプテンにあるまじき態度が批判された。2008-09シーズンを迎えて、ナゲッツも変革の時を迎えた。カーメロというフランチャイズビルダーのもとでの5年間、毎年プレーオフには進出してきたが、5年連続で1回戦敗退を続けており、現体制に限界を感じたナゲッツはチームの改革に踏み切ったのである。シーズン前には殆ど無償でマーカス・キャンビーを放出。さらにエドアルド・ナヘラも放出したことで、新シーズンのナゲッツは苦戦が予想された。ところがシーズン開幕して間もない時期にデトロイト・ピストンズとの間でアイバーソンとチャンシー・ビラップスのトレードが成立。ビラップス加入の効果はナゲッツを大きく変化させた。カーメロ個人はビラップスという百戦錬磨のベテランを相棒に得たことでチームリーダーとしての負担が大きく軽減されプレーに集中することができ、特にディフェンス面ではオフに北京オリンピックでコービー・ブライアントらとプレーしたことでディフェンスに対する意識が大きく向上した。また持ち前の得点力も大いに発揮し、12月10日のミネソタ・ティンバーウルブズ戦の3Qでは、1クォーターだけで33点を記録した。1月4日のインディアナ・ペイサーズ戦では手を骨折するというアクシデントに見舞われ、手術する選択肢もあったが、カーメロは手術で試合を欠場するよりも添え木で固めて強行出場する道を選んだ。また3月1日のインディアナ・ペイサーズ戦ではジョージ・カールHCの交代命令に従わなかったとして1試合の出場停止処分を受けたが、処分明けの試合ではカールHCから交代を指示されると、全速力でベンチに戻るという一幕が見られた。カーメロの活躍やビラップスの獲得、これまで度重なる故障に悩まされてきたケニオン・マーティンやネネイらビッグマンの復活もあり、ナゲッツは好調のシーズンを送り、1990年代以降では最高勝率となる54勝28敗を記録。カーメロ自身は22.8得点6.8リバウンドと近年では最も低い数字に終わったが、プレーの質が向上したことが評価され、オールNBA3rdチーム復帰を果たした。プレーオフではニューオーリンズ・ホーネッツを破ってついに宿願の1回戦突破を果たし、カンファレンス準決勝ではダラス・マーベリックスを降して、カンファレンス決勝まで進出した。2009-10シーズンは69試合で平均38.2分、28.2得点6.6リバウンド3.2アシスト1.3スティールMVP投票で6位に入った。プレーオフ1回戦ではユタ・ジャズと対戦し、30.7得点（リーグ3位）・8.5リバウンド3.3アシスト2.0スティールと奮闘したものの2勝4敗で敗退した。