O 9 de agosto de 2016, Carvajal debutou no partido da Supercopa da UEFA contra o Sevilla en Trondheim, e marcou o 3<unk>2 final.
no minuto 119 despois dun esforzo individual. Durante a tempada da liga, a pesar de varias enfermidades físicas, aínda contribuíu con 23 xogos para axudar ao equipo a ser coroado campión. O 3 de decembro de 2016, despois de que Sergio Ramos igualara no último minuto contra o FC Barcelona no Camp Nou, celebrou o gol dando o dedo medio aos fanáticos adversarios, pero máis tarde pediu desculpas; despois de case un mes ao marxe, volveu á acción xusto a tempo de comezar na final da Liga dos Campións o 3 de xuño, que gañaron por terceira vez en catro anos.