Carpenter naît le vendredi 1 mai 1925 à Boulder (Colorado), fils de M. Scott Carpenter (docteur et chercheur en chimie) et de Florence Kelso Noxon.
En 1945 il entre à l'Université du Colorado, d'où il obtient en 1949 une licence en Ingéniérie Aéronautique.
Marine
Cette année-là il entre dans la Marine, où il reçoit une formation d'aviateur à Pensacola (Floride) et Corpus Christi (Texas), jusqu'à être désigné aviateur national en 1951.
Durant la Guerre de Corée, il dans l'Escadron Six, pilotant pour des missions anti-sous-marines, de surveillance de navires, minage aérien et de recherche dans la Mer Jaune, le sud de la Mer de Chine et le Détroit de Taïwan.
En 1954, il intègre l'Ecole des pilotes d'essai de la Marine à Patuxent River (Maryland), puis est affecté à la Division des Essais Electroniques du Centre d'Essais Aériens de la Marine, toujours à Patuxent. Là il pilote tout type d'appareils expérimentaux de la Marine, d'avions à hélice aux chasseurs multi-réacteurs, d'appareils de transport à des bombardiers ou chasseurs, en passant par des hydravions.
A partir de 1957, il intègre la General Line School de l'Ecole du Renseignement Aérien de la Marine, puis est affecté comme Officier de Renseignement Aérien sur le porte-avion USS Hornet.
NASA
Le jeudi 2, il rejoint la NASA.
Mercury
Le jeudi 9 il est sélectionné comme l'un des 7 astronautes pour la mission Mercury. Il suit alors un entraînement intensif, spécialisé dans la communication et la navigation.
En février 1962, il est la doublure de John Glenn
lors de la préparation du
1er vol spatial habité américain (MA-6).
MA-7
après
son atterrissage 
Le jeudi 24 mai 1962, doublure de Donald K. Slayton
, il est affecté au 2ᵉ vol
orbital habité américain lorsque ce dernier en est écarté pour raison médicale. Il pilote alors le vaisseau Aurora 7.
A côté de la réalisation de 5 expériences de vol, Carpenter aide à confirmer l'explication des "lucioles" vues par Glenn lors du vol précédent : en tapant sur la paroi du vaisseau, les particules apparaissent lors du lever du soleil s1Roach, F. E.: "Observations of Artifacts in Space", in "Visual Observations Made by U. S. Astronauts", chapitre 6 de la section 3 de Scientific Study of Unidentified Flying Objects, Université du Colorado, 1968.
Après 3 révolutions autour de la Terre, atteignant une altitude maximale de 164 miles, il atterrit dans l'Océan Atlantique à environ 1000 miles au sud-est de Cap Canaveral, au terme de (0,21 j) de vol. Son atterissage n'a pas été sans difficultés cependant, Carpenter utilisant à plusieurs reprise les commandes manuelles pour corriger des défaillances du PHS. La consommation excessive de carburant et l'atterissage éloigné du lieu prévu qui s'ensuivirent lui seront néanmoins reprochés, handicapant pour un moment la suite de sa carrière à la NASA.
En 1965, Capenter retourne alors travailler pour la Marine. Cet été-là, il est aquanaute sur le projet Homme-à-la-Mer, dans le cadre du programme SeaLab II, au large de la côte de La Jolla (Californie). Sur les 45 j de l'expérience, il passe 30 jours à vivre et travailler sur le fond océanique. Il dirige 2 des 3 équipes de 10 hommes et plongeurs de la Marine qui mènent des activités de plongée en eau profondes dans un habitat du fond marin à une profondeur de 205 miles.
Il revient enfin au service de la NASA comme Executive Assistant du Directeur du Centre de Vol Spatial et participe activement à la conception du Module d'Atterrissage Lunaire de Apollo, ainsi qu'à l'entrainement de l'équipage à la sortie extra-véhiculaire sous l'eau (EVA).
En 1967 il quitte la NASA pour retourner au DSSP de la Marine comme Directeur des Opérations Aquanautiques lors de l'expérimentation SEALAB 3 (le bureau DSSP était responsable de la direction du programme Saturation Diving Program de la Marine, qui incluait le développement de recherche en eaux profondes, du sauvetage, de l'ingéniérie océanique et des capacités Homme-à-la-Mer).
En 1969, après 25 ans de service, Carpenter part en retraite de la Marine et fonde Sear Sciences, Inc., une société de capital-risque dont il est CEO, active dans le développement de programmes visant à une utilisation accrue des ressources océaniques et un meilleur respect de la planète. Dans le cadre de ces objectifs comme d'autres, il collabore étroitement avec le commandant Cousteau et l'équipe de la Calypso. Il a plongé dans la plupart des océan du monde, y compris sous la glace arctique.
Il devient consultant pour les fabricants d'équipements sportifs et de plongée, contribuant au perfectionnement de systèmes de respiration sous-marine, d'unités de propulsion pour plongeurs, de petits submersibles et autres appareils sous-marins.