Më 10 gusht 2010,Real Madridi zyrtarizoi blerjen e Carvalhos për 7.9 milion € nga Çelsi.[1] Ai debutoi tre ditë më pas në ndeshjen miqësore ndajBayern München e cila u fitua 4–2 me penallti nga Reali pasi koha e rregullt u mbyll në barazim pa gola. Carvalho debutoi nëLa Liga më 29 gusht në barazim pa gola kundërMajorkës. Në ndeshjen e javës së dytë, ai shënoi golin e parë meLos Blancos kundërOsasunës; ai shënoi me portën e boshatisur pas një asisti ngaCristiano Ronaldo. Më 10 tetor, në fitoren kundërMilanit në fazën e grupeve tëLigës së Kampioneve, Carvalho u dallua për performancën e tij dhe u shpall lojtari i ndeshjes ngaMarca.
Më 7 nëntor, Carvalho shënoi golin e dytë të sezonit në derbin e Madrdit kundërAtlético Madrid, duke ndihmuar Realin të fitonte 2–0 në shtëpi; ai u shpall sërisht lojtari më i mirë. Më 19 shkurt 2011, ai shënoi golin e tretë të sezonit në La Liga në fitoren 2–0 kundërLevantes. Carvalho e mbylli sezonin e parë nëMadrid me 48 ndeshje në të gjitha kompeticionet, duke u bërë një lojtar i rëndësishëm në mbrotje.
Ai e nisi sezonin 2011–12 si titullar në qëndër të mbrojtjes sëbashku me bashkëkombasinPepe. Megjithatë, ai u godit me disa dëmtime në pjesën e parë të sezonit, duke humbur edhe vendin e titullarit. Ai u rikthye në aksion më 18 janar 2012 në disfatën 2–1 nëEl Clásico kundërBarcelonës në çerek-finalen eKupës së Mbretit.
Mes spekullimeve se ai do të largohej nga Real Madridi, trajneriJosé Mourinho deklaroi se nëse Carvalho do të qëndronte në klub ai nuk do të luante asnjë ndeshje.[2] Megjithatë, ai regjistroi 16 ndeshje në të gjitha kompeticionet gjatë sezonit 2012–13, duke u larguar pas përfundimit të tij.
Më 28 maj 2013, Carvalho ju bashkua klubit francezMonaco si një transferim i lirë, duke firmosur një kontratë një vjeçare me mundësi rinovimi edhe për një vit.[3]
Carvalho ka qënë njëqëndër-mbrojtës i cili dallohej për inteligjencën, aftësinë për të lexuar lojën dhe ndërhyrjet në kohën e duhur. Ai ishte një lojtar i shpejtë, i cili ishte i rrezikshëm në duelet ajërore; përveç kësaj, ai zotëronte një teknik të shkëlqyer dhe pasime të sakta, duke fituar krahasime me legjendën italianeFranco Baresi.[4][5][6] Edhe pse ai nuk shquhej për forcën fizike, Carvalho kishte këmbëngulje dhe kryente shpesh ndërhyrje të forta; në një intervistë me revistën zyrtare të Ligës së Kampioneve, Carvalho foli rreth stilit të tij të lojës dhe fizikut:
(...) Lojtarët të cilët rriten në Angli janë të ndryshëm. Ata janë të ashpër, të fuqishëm. Viti im i parë ishte i vështirë sepse unë doja topin, doja të luaja, dhe shpejtësia këtu është e jashtëzakonshme. Lojtarët janë fizikisht të fuqishëm, dhe nëse ata nuk luajnë mirë, godasin. Kjo nuk ishte loja ime. Dhe çdo her ë që kërceva me krahun tim, shpatulla ime dilte jashtë. Me kalimin e kohës u bë me e dobët. Në maj 2005 u operova, më pas fillova të punoja pak në palestër, të cilën nuk e kisha bërë më parë, dhe u përmirësova shumë. (...) Trupi im nuk është aq i fuqishëm sa trupi i një qëndër-mbrojtësi normal në Angli, por më pëlqen të luaj fortë dhe të bëjë ndërhyrje. Më pëlqen të kryer ndërhyrje të çmëndura, dhe më pëlqen të rrëshkas në fushë.[7]
Për shkak të kësaj, Carvalho ka qënë në mbrojtje me mbrojtësa më të fuqishëm fizikisht, si angleziJohn Terry, i cili ishte partner me portugezin për disa vite në mbrojtjen e Çelsit. Stili agresiv i Terryt u kombinua me balancën, teknikën, shpejtësinë e mendimit dhe mbajtjen e topit të Carvalhos.[6][8][9][10][11] Pavarësisht se nuk ishte aq i gjatë sa shumica e qëndër-mbrojtësve, Carvalho sërisht ishte i aftë në luftën në ajër (1.83 m), duke fituar duele ajërore ndaj kundërshtarëve me të gjatë dhe më fizik, e demonstruar kjo nga tre golat e shënuar kundër Manchester United, e cila kishteRio Ferdinand (1.89 m) dheNemanja Vidić (1.90 m) në qëndër të mbrojtjes.
(...) Te Porto kishte qëndër-mbrojtësa më të gjatë se unë, por ata ishin në stol sepse unë isha më i shkathët. I thash trajnerit, 'Më duhet të rritem pak.' Por ai më tha: 'Jo, do të fillosh të bëhesh më i ngadaltë, do të vraposh më ngadal. Ti je i mirë, je atje tashmë.' (...) Një mbrojtës është një gjë, futbolli është rreth të mbrojturit dhe të luajturit. Normalisht, loja vjen nga ne mbrojtësit kështu që ne duhet të mbrojmë, të mos pësojmë, të ngushtojmë hapsirat, të përqëndrohemi te sulmuesit dhe pas të gjitha këtyre të përpiqemi të vazhdojmë një lëvizje. (...)[7]
