Tras ingresar en la orden dominica, marcha a Perú en 1523, dedicándose a la conversión de los indígenas.

En 1540 es capellán en la expedición de Gonzalo Pizaro, en busca del País de la Canela al este de Quito. La expedición a atravesó los Andes y se internó en la selva amazónica. Pizarro ordenó a su segundo al mando que con cincuenta hombres (entre los que se encuentra Gaspar de Carvajal) descendiese el río Napo en en busca de provisiones.

Orellana alcanzó la confluencia del Napo y el Trinidad, pero no encontró provisiones. Sin poder volver atrás por la fuerza de la corriente, decide seguir río abajo, hasta llegar a la desembocadura del Amazonas. Los datos de la expedición de Orellana registrados por fray Gaspar de Carvajal proporcionan información de gran interés etnológico tales como disposición y tamaño de los poblados, ocupación continua a lo largo de las barrancas del río, caminos amplios que comunican el río Amazonas con la tierra firme, tácticas de guerra, rituales, costumbres y utensilios.

A su regreso al Perú, Carvajal fue elegido subprior del convento de San Rosario en Lima. En este puesto, fue elegido para arbitrar entre el virrey, y los auditores de la Real Audiencia en 1554, pero infructuosamente.

Después de la pacificación del Perú, fue enviado por sus superiores como misionero a Tucumán, siendo nombrado protector de los indios en el país. Trabajó durante años en este territorio, registrándose que convirtió a la mayor parte de los indígenas de la zona.

En 1553 fue instituido como prior del convento de Huamanga y provincial de Tucumán. Hay constancia de una carta de Carvajal al rey informándole de los abusos que con los indios se cometen en las minas del Perú y pidiéndole intervenga en favor de los indios.