Сюжет завязывается вокруг произошедшей когда-то истории с сумкой денег. Друг главного героя, Дариус, даёт ему свою машину для победы в решающей гонке. На кон поставлена внушительная сумма денег. Гонка проходит по городу, игрок едет первым, и полиция открывает огонь по машинам противников. Игрок целым и невредимым приходит к финишу первым, остальных троих участников гонки арестовывают полицейские. Никки, подруга главного героя, бросает в машину победителя сумку с деньгами (в сумке вместо денег оказались какие-то бумаги), а игрок получает совет от Дариуса «немедленно убираться из города».

Игра начинается там, где заканчивается Most Wanted. Райан Купер едет из Рокпорта домой, в Палмонт, через каньон Карбон. Его догоняет сержант полиции Кросс, встречающийся в предыдущей части игры, и начинается погоня, в результате которой Райан попадает в тупик, едва не столкнувшись с грузовиком, который стоял поперёк дороги. Кросс не даёт герою выйти из машины и после непродолжительного разговора появляются 3 машины. Как выясняется, это друг главного героя, который во второй раз выручает его и платит Кроссу выкуп. Кросс уезжает, а друг, намекая на оказанную помощь, предлагает главному герою сделку — завоевать для него весь город. В разгар беседы появляется Никки, и спрашивает Дариуса, что он здесь делает. Дариус успокаивает её и рассказывает о своем плане. После этого Никки обучает игрока работе в команде, в процессе которого происходит знакомство с Невиллом, который включается в команду героя.

Палмонт — город, в котором происходит действие игры — поделён на 4 части между группировками. После выбора автомобиля, вместе с командой начинается постепенное завоёвывание всего города. Игрок начинает отбивать районы у лидеров-гонщиков, поделивших город между собой, и, по ходу прохождения, от очевидцев когда-то произошедшей гонки узнаёт, что героя подставили, и Дариус подменил сумку. Враждебное отношение Никки к герою изменяется, и игроку предстоит победить обманщика. Но побежденные боссы районов (Энджи, Кенджи и Вольф) переходят в команду «Краплёные», главой которой является Дариус, и игроку приходиться побеждать сначала их, а потом уже главаря. После финальной гонки в каньоне, Дариус отдаёт свой автомобиль Audi Le Mans quattro и покидает город. Деньги он так и не вернёт.

Особенности

Need for Speed: Carbon включает в себя новый способ настройки автомобиля, названный «Автоскульптура» (англ. Autosculpt), позволяющий настраивать отдельные части автомобиля на вкус игрока (например, при установке спойлера есть возможность регулировки его высоты, ширины). Игроки также могут накладывать виниловые наклейки в несколько слоев. Настройка производительности автомобиля была переделана так, чтобы игроки, модернизировав автомобиль, могли настроить ряд его различных свойств, таких как мощность (отдача) двигателя, соотношение максимальной скорости к ускорению, жёсткость подвески, соотношение мощности к объёму подаваемой закиси азота, снос (балансировка) тормозов, регулировка мощности турбонаддува. В отличие от Most Wanted, настройка производительности всегда проходит в гараже.

Боссы доступны только в режиме карьеры. Большое внимание уделяется гонкам, проходящим в каньоне Карбон, благодаря которому игра и получила свое название. Игроки должны соревноваться с другими гонщиками, скользить по каньону в дрифтинге, или соревноваться один на один. В гонке один на один два уровня: на первом уровне игрок должен держаться к сопернику как можно ближе, чтобы получить как можно больше очков. На втором уровне, наоборот, игрок должен не допустить обгона его противником.

Как и в предыдущей части игры, полицейские ездят по всему городу. Погоня может разразиться в любой момент: в режиме свободной езды, во время гонки или после неё. На некоторых гонках полицейские отсутствуют, например, на гонках в каньоне Карбон или гонках на прохождение контрольных точек. Игрок должен быть осторожен, чтобы не попасться федеральной или государственной полиции.

Игроки могут выбрать автомобиль из множества лицензированных, разделенных на 3 класса: Tuner, Muscle, и Exotic. Каждый автомобиль имеет свои собственные характеристики и особенности. Чтобы начать режим карьеры, игроки должны выбрать один из трех классов:

• Tuner (Тюнер) — класс автомобилей, обладающих лучшей управляемостью по сравнению с другими.
• Muscle (Олдовые) — автомобили с высоким ускорением и максимальной скоростью, но более низкой управляемостью. При повороте часто входят в занос.
• Exotic (Иномарки) — класс, занимающий промежуточное положение между Tuner и Muscle.