Ha efectuado viajes de investigación y trabajo de campo en Francia, Italia, Eslovenia, Croacia, Georgia, Tayikistán, Argelia, Marruecos, Tanzania, Kenia, Etiopía, los Estados Unidos, México, Chile, Cuba, China y Australia, entre otros países.

En Gerona fue miembro de la Asociación Arqueológica de Gerona, desde donde, conjuntamente con Josep Canal i Roquet, contribuyó decisivamente al reconocimiento del Paleolítico Inferior del noreste de la península ibérica, que hasta entonces las autoridades académicas habían negado sistemáticamente.

Los trabajos en Atapuerca han contribuido a enriquecer espectacularmente el conocimiento científico sobre la prehistoria y la paleoantropología, en especial con respecto a la evolución de la tecnología lítica encontrada en Atapuerca, en la extraordinaria población exhumada en la Sima de los Huesos[1]​ y en los restos de TD-6, donde se ha descubierto una nueva especie de homínido, el Homo antecessor, el explorador que salió del continente africano hacia Europa.

Carbonell plantea la selección técnica como mecanismo evolutivo del comportamiento humano y la aplica también a sus trabajos en el Abric Romaní (Capellades, Noya), un yacimiento neandertal donde se demuestra que la distancia entre el comportamiento del Homo neanderthalensis y los primeros humanos anatómicamente modernos no es tan grande como se postulaba hace unos años.

Por eso, hay que avanzar en la socialización del conocimiento, conseguir que sus beneficios y los de la técnica sean patrimonio de toda la población siguiendo unos mecanismos innovadores, adecuados a los nuevos tiempos.