En 1621, il se rend au Japon. Le nombre de catholiques et de chrétiens dans la vie sociale y suscitait un mécontentement croissant. Le deuxième Shogun de la dynastie Tokugawa a publié un décret. Celui-ci interdit tout enseignement ou pratique de la foi chrétienne. Tous les missionnaires ont été priés de quitter le Japon sous peine de mort.

Carvalho a vécu sur l'île d'Amakusa, déguisé en soldat, pendant deux ans. Il a appris le japonais et s'est assimilé à la culture japonaise. Puis le gouverneur de l'île a admis aux autres que Miguel était en réalité un missionnaire et il a été chassé de l'île.

Avec de l'aide, il parvint à Nagasaki où il poursuivit son travail missionnaire et s'occupa d'un petit groupe de croyants. En juillet 1623, alors qu'il revenait d'Omura, il fut arrêté sur la foi d'un informateur. Il est emmené à la prison locale où il rejoint deux missionnaires espagnols et deux japonais en captivité. Il passa son temps en prison à prier et à dire la messe quotidienne.


Les prisonniers ont été condamnés à mort et Miguel et ses compagnons de captivité ont été brûlés sur le bûcher le 25 août 1624.

Il est le saint patron du département de philosophie de l'Université catholique du Portugal, campus de Braga, et sa fête est le 25 août.