Criado nas categorias de base do Real Madrid, o atleta foi vendido ao time alemão por 5 milhões de euros (cerca de R$ 13,9 milhões) em julho de 2012. Entretanto, o clube branco acertou cláusula de recompra e optou por utilizá-la.
“Estamos muito tristes que Daniel não pôde ficar no clube, mas era claro para nós desde o começo que o Real Madrid reconheceria sua capacidade em algum momento. A decisão não foi nem um pouco surpreendente para nós, pois ele foi incrível nestes últimos meses”, disse o diretor esportivo do time alemão, Rudi Voller.
Nesta temporada, Carvajal se fixou rapidamente como titular do Bayer Leverkusen. Peça importante no sistema defensivo, o lateral direito disputou 35 partidas, sendo 34 como titular, marcou um gol e recebeu dez cartões amarelos.