Сын русской преподавательницы и французского архитектора, по материнской линии — дальний родственник Константина Бальмонта. Вырос на Кубе. В 12-летнем возрасте приехал с семьей в Париж, изучал там теорию музыки. Вернувшись на Кубу, учился архитектуре, но курса не закончил. В 1924 начал публиковаться в левой прессе, в 1927 за выступление против диктатуры Мачадо был на семь месяцев заключен в тюрьму, затем при поддержке Робера Десноса, с которым познакомился в Гаване, эмигрировал во Францию.
Во Франции Карпентьер познакомился с сюрреалистами, публиковался в бретоновском журнале «Сюрреалистическая революция». В 1930 подписал антибретоновский памфлет «Труп». Сблизился с Мигелем Анхелем Астуриасом, чей интерес к доколумбовой мифологии Латинской Америки глубоко повлиял на Карпентьера. В 1937 участвовал в антифашистском конгрессе писателей в Мадриде.
В 1939 Карпентьер снова вернулся на Кубу, занимался изучением кубинской ритуальной и фольклорной музыки.
Впечатления от поездок на Гаити легли в основу исторического романа «Царство земное». Роман воскрешает эпизоды правления на Гаити Анри-Кристофа, бывшего раба, сражавшегося за освобождение страны от французских колонизаторов и провозгласившего себя королем. Роман — под несомненным влиянием афрокубинской мифологии и искусства барокко, с одной стороны, и сюрреалистов, их философии чудесного в повседневном, с другой, — обозначил приход «магического реализма» в латиноамериканскую словесность. Этот феномен (активным соратником Карпентьера здесь был Астуриас) во многом определил в 1950–1960-х годах взрыв мирового интереса к латиноамериканскому роману.
В 1945–1959 Карпентьер жил в Венесуэле. В этой стране происходит действие его романа «Потерянные следы» (1953).
В 1962 Карпентьер издал исторический роман «Век просвещения», действие которого происходит в годы Великой Французской революции на Кубе, на Гаити, во Франции, на Гваделупе, во Французской Гвиане, в Испании. В основе романа лежат подлинные факты из жизни Виктора Юга — комиссара якобинского Конвента на Гваделупе, агента Директории во Французской Гвиане.
Карпентьер вернулся на Кубу после победы революции, принял деятельное участие в культурной жизни страны. С 1966 занимал пост атташе по культуре посольства Кубы в Париже.
Роман «Превратности метода» (1974) — один из портретов латиноамериканского диктатора, наряду с романами «Сеньор Президент» Астуриаса, «Осень патриарха» Гарсиа Маркеса, «Я, Верховный» Роа Бастоса.
Последний роман Карпентьера «Весна священная» (1978) назван по имени балета Игоря Стравинского. Роман представляет собой широкую эпопею, охватывающую события XX века, от гражданской войны в Испании до революции на Кубе.
Лауреат Премии Чино дель Дука (1975), Премии «Мигель де Сервантес» (1977), французской Премии Медичи за иностранный роман (1979).