In 1621 ging hij naar Japan. Daar heerste een groeiende ontevredenheid over het aantal katholieken en christenen in het maatschappelijk leven. De tweede Shogun van de Tokugawa dynastie vaardigde een decreet uit. Dit verbood elke leer of praktijk van het christelijk geloof. Alle missionarissen werd opgedragen Japan te verlaten onder bedreiging met de dood.

Carvalho leefde twee jaar lang op het eiland Amakusa, vermomd als soldaat. Hij leerde Japans en assimileerde zich in de Japanse cultuur. Toen gaf de gouverneur van het eiland aan anderen toe dat Miguel in werkelijkheid een missionaris was en werd hij van het eiland verdreven.

Met enige hulp wist hij het tot Nagasaki te schoppen waar hij zijn zendingswerk voortzette en voor een kleine groep gelovigen zorgde. In juli 1623 keerde hij terug van Omura en werd gearresteerd op het woord van een informant. Hij werd naar de plaatselijke gevangenis gebracht waar hij zich bij twee Spaanse en twee Japanse missionarissen in gevangenschap voegde. Hij bracht zijn tijd in de gevangenis door met bidden en het opdragen van de dagelijkse mis.


De gevangenen werden ter dood veroordeeld en Miguel en zijn medegevangenen werden op 25 augustus 1624 op de brandstapel gezet.

Hij is de patroonheilige van het departement filosofie van de Katholieke Universiteit van Portugal op de campus van Braga en zijn feestdag is 25 augustus.