護民院在職中も暇を見つけては数学研究に携わり、『位置の幾何学について』, Geometrie de position などの著作を発表した。同著は近代幾何学の基礎の1つとされている。1807年、護民院廃止とともに政界を引退した。その後は研究と著作に没頭していたが、1814年に対仏大同盟軍がフランス本土へ迫ると、61歳になっていたカルノーは愛国心からナポレオンのもとに馳せ参じ、軍人に復帰した。カルノーはアントウェルペン総督を務め、終戦まで同市を守り通した。王政復古ではルイ18世の反動政治に反発し、百日天下でナポレオンの自由帝政の約束を受け入れて共和主義者の立場から内務大臣に就任した。このときナポレオンの早期決戦案に反対して戦備充実を提案したが容れられなかった。ナポレオンの敗北後はフーシェらと共に臨時政府委員に就任し、抵抗を続けるよう主張したが、大勢は降伏に至る。そして再度の王政復古によって追放されることになった。カルノーはドイツのマクデブルクに落ち着き、余生を送った。1823年、同地で死去した。遺体は1889年にパリのパンテオンに埋葬された。
1794年に国民公会の議長となる。ロベスピエール派の恐怖政治に対して当初は傍観的だったが、戦略をめぐって同じ公安委員会のサン＝ジュストと対立し、ロベスピエール派全体とも対立するようになった。だがこれによりテルミドールのクーデターではギロチン行きを免れた。1795年3月に公安委員会を引退し、元老会議員に立候補して当選。10月に総裁政府が発足すると、初代の5総裁の1人に就任した。カルノーは穏健派として王党派との和解を模索していたが、1797年の選挙での王党派の勝利に反発したバラスらがフリュクティドール18日のクーデターを起こすと、カルノーは王党派に通じていたとの嫌疑をかけられニュルンベルクへの亡命を余儀なくされる。亡命中は数学の研究に没頭し、『無限小算法についての形而上学的考察』（Réflexions sur la metaphysique du calcul infinitésimal）を執筆する。同著は好評を博し各国語に翻訳された。1799年、ブリュメール18日のクーデター後にフランスへ帰国。第一統領となったナポレオン・ボナパルトの知遇を受け、1800年には半年間戦争大臣を務めた。1802年に護民院議員となる。ナポレオンの帝政に対しては共和主義者の立場から反対し続けたが、ナポレオンはカルノーに敬意を表し伯爵に叙した。
1791年、パ＝ド＝カレー県の富豪デュポン家の娘ソフィーと結婚し運が開ける。同年10月、義父らの推薦を受けパ＝ド＝カレー県から立法議会に立候補し議員に選出された。1792年4月、フランス革命政府のオーストリアへの宣戦によりフランス革命戦争が勃発。緒戦でフランス軍は劣勢に立ち、プロイセン軍が国境へ迫った。軍事通のカルノーは各地へ政治委員として派遣され、フランス軍の補給の確立や平民出身の人材の登用に努め、ヴァルミーの戦いの勝利の礎を作った。1792年9月には国民公会の議員として再選される。カルノーは引き続き前線各地に出向くことが多く、1793年4月のデュムーリエの裏切りにも遭遇した。戦争は、イギリス、オランダ、スペインの相次ぐ宣戦により、フランスにとって危機的な状況となる。8月、カルノーは前線から呼び戻されて公安委員会の委員となり、軍事に疎いロベスピエールや戦争大臣ブーショットを助け軍事問題を担当し、能力を発揮する事になる。この時期のカルノーは1日16時間以上を執務にあてたという。徴兵制度の整備、軍需工場の整備、軍制改革を指揮して総力戦体制を確立し、当時史上空前の規模であった14個軍団の創設にあたった。また、10月16日のワッティニーの戦いでは、ジュールダンとともに実戦部隊を率い、自ら陣頭に立って勝利を収めた。フランス軍は再び優勢に立ち、カルノーは一連の功績から「勝利の組織者」と称えられた。
ある山里に心優しい老夫婦と、その隣人に欲張りで乱暴な老夫婦が住んでいた。優しい夫婦が傷ついた子犬を見つけて飼うことにし、わが子のように大切に育てる。あるとき犬は畑の土を掘りながら「ここ掘れワンワン」と鳴き始める。驚いた老人が鍬で畑を掘ったところ、金貨（大判・小判）が掘り出され、老夫婦は喜んで近所にも振る舞い物をする。それをねたんだ隣の老夫婦は、無理やり犬を連れ去り、財宝を探させようと虐待する。しかし、指し示した場所から出てきたのは、期待はずれのガラクタ（ゲテモノ・妖怪・欠けた瀬戸物）だったため、隣の老夫婦は激怒して犬を殺害し、飼い主夫婦にも悪態をついた。わが子同然の犬を失って悲しみにくれる夫婦は、死んだ犬を引き取って庭に墓を作って埋め、雨風から犬の墓を守るため、傍らに木を植えた。植えられた木は短い年月で大木に成長し、やがて夢に犬が現れてその木を伐り倒して臼を作るように助言する。夫婦が助言どおりに臼を作り、それで餅を搗くと、財宝があふれ出た。それを知った隣の老夫婦は再び難癖をつけて臼を借り受けるが、出てくるのは汚物ばかりだったため、激怒して斧で臼を打ち割って薪にして燃やしてしまう。優しい老夫婦は灰を返してもらって大事に供養しようとするが、再び犬が夢に出てきて桜の枯れ木に灰を撒いてほしいと頼む。その言葉に従ったところ花が満開になり、たまたま通りがかった大名が感動し、老爺をほめて褒美を与えた（このときの台詞が「枯れ木に花を咲かせましょう」である）。羨ましく思った隣の老夫婦がまねをするが、花が咲くどころか大名の目に灰が入ってしまい、隣の老夫婦は無礼をとがめられて罰を受ける（捕縛・投獄されるなど）。