Desde 1999 ocupa la cátedra de Prehistoria de la Universitat Rovira i Virgili de Tarragona. Actualmente es Investigador Principal del Grupo de Autoecología Humana del Cuaternario de esta universidad y Director del Institut Català de Paleoecologia Humana i Evolució Social (IPHES), uno de los centros de referencia internacional en evolución humana. A lo largo de su carrera, Eudald Carbonell i Roura ha realizado investigaciones y trabajo de campo en numerosos países: Francia, Italia, Eslovenia, Croacia, Georgia, Tayikistán, Argelia, Marruecos, Tanzania, Kenia, Etiopía, Estados Unidos, México, Chile, Cuba, China y Australia, entre otros. Su interés por las primeras poblaciones humanas comenzó muy temprano, cuando investigó los asentamientos prehistóricos de los valles de los ríos Ter y Freser.

En Gerona, Eudald Carbonell i Roura formó parte de la Asociación Arqueológica de Gerona. Junto con Josep Canal i Roquet, desempeñó un papel fundamental en el reconocimiento del Paleolítico Inferior en el noreste de la península ibérica, un hecho que hasta entonces había sido negado sistemáticamente por las autoridades académicas. Este trabajo pionero abrió nuevas líneas de investigación en la prehistoria catalana.

Entre sus aportaciones científicas más destacadas se encuentra la creación del «sistema lógico‑analítico», un método de análisis de la tecnología prehistórica que ha tenido una gran influencia en la arqueología del Paleolítico. También ha sido clave en el estudio del poblamiento antiguo de la península ibérica. Estas líneas de trabajo lo llevaron a integrarse en el programa de investigación de la sierra de Atapuerca (Burgos), inicialmente bajo la dirección de Emiliano Aguirre. Desde 1991, Eudald Carbonell i Roura es uno de los codirectores del proyecto, junto con Juan Luis Arsuaga y José María Bermúdez de Castro.

Los trabajos en Atapuerca han transformado el conocimiento científico sobre la evolución humana en Europa. Las excavaciones han permitido estudiar la evolución de la tecnología lítica, analizar la extraordinaria población fósil de la Sima de los Huesos y, sobre todo, identificar en el nivel TD‑6 una nueva especie de homínido: Homo antecessor, considerado uno de los primeros pobladores de Europa y un posible antepasado común de neandertales y humanos modernos. La participación de Eudald Carbonell i Roura ha sido esencial para interpretar estos hallazgos desde una perspectiva tecnológica y evolutiva.

Una de las líneas actuales de investigación de Carbonell se centra en comprender las razones de las migraciones humanas antiguas, explicándolas no desde factores climáticos o biológicos, sino desde el comportamiento tecnológico. Propone la «selección técnica» como mecanismo evolutivo del comportamiento humano, una idea que aplica también a sus trabajos en el Abric Romaní (Capellades, Anoia), un yacimiento neandertal excepcional. Allí se ha demostrado que la distancia entre el comportamiento del Homo neanderthalensis y el de los primeros humanos anatómicamente modernos es mucho menor de lo que se creía hace unas décadas.

Según Eudald Carbonell i Roura, la característica que distingue al género Homo del resto de seres vivos es la capacidad de fabricar herramientas utilizando otras herramientas. Para él, la selección técnica ha sido el motor principal de la evolución del comportamiento humano durante los últimos dos millones de años. Sin embargo, insiste en que «hominización» y «humanización» no son conceptos equivalentes: la hominización es un proceso biológico, mientras que la humanización es un proceso social aún inacabado. Solo se alcanzará plenamente mediante un pensamiento social crítico.

Por ello, Eudald Carbonell i Roura defiende la necesidad de avanzar en la socialización del conocimiento científico, de garantizar que los beneficios de la técnica sean patrimonio de toda la población y de promover mecanismos innovadores adaptados a los nuevos tiempos. Considera imprescindible una pedagogía científica y social que fomente la integración de la diversidad en todos los niveles y que contribuya a desarrollar una «conciencia crítica de especie».

En 2022 se jubiló tras 34 años de docencia para centrarse en sus investigaciones sobre la teoría de la evolución social de la humanidad, un campo en el que continúa trabajando activamente.