Carpenter je zabilježio samo jedan svemirski let, napravivši u letjelici Aurora 7 tri kruga oko Zemlje, 24. svibnja 1962. nekoliko tjedana nakon svog 37 rođendana. Iako je let bio kraći od pet sati Carpenter je bio četvrti Amerikanac u svemiru i drugi u Zemljinoj orbiti, nakon Johna Glenna.
Bio je i dio tima Mercury 7 koji je NASA sastavila od sedmorice astronauta 1959. kao odgovor na sovjetski svemirski program.
Unatoč njegovoj astronautskoj slavi Carpenter je znatno više vremena proveo u oceanu nego u svemiru, jer je 1965. postao "aquanaut" u mornaričkom projektu SEALAB II. Čak 30 dana živio je i radio na dubini od 62 metra uz kalifornijsku obalu.