Лишь в конце 1813 г., когда возникла реальная угроза вторжения врага на территорию Франции, он сам предложил свои услуги Наполеону: «Сир, пока успех венчал все Ваши начинания, я не предлагал Вашему Величеству свои услуги, потому что они могли быть и неприемлемы. Сегодня, Государь, когда злая фортуна испытывает Вашу стойкость, я не колеблюсь более предложить Вам те слабые силы, которые у меня остались».
Принятый на службу Карно был назначен военным губернатором Антверпена (Бельгия). Проявив завидную энергию, он, несмотря на свой уже почтенный возраст (ему было почти 60 лет), быстро подготовил город и крепость к обороне и приготовился к осаде. Но до нее дело не дошло, противник ограничился лишь блокадой Антверпена. Правда, к этому моменту его гарнизон был уже сильно ослаблен. Карно пришлось выделить около 5 тыс. своих лучших солдат на усиление корпуса генерала Н. Мезона, действовавшего в Бельгии. Несмотря на это Карно трижды отверг требование неприятеля сдать город. Противник подверг Антверпен сильной бомбардировке, но не смог сломить мужества его защитников. Только через месяц после падения Наполеона (5 мая 1814 г.) Карно передал город и крепость прибывшему из Парижа графу д’Артуа (брат нового короля Людовика XVIII). После этого он отправился в Париж, где был принят королем довольно холодно и сразу же уволен в отставку с небольшой пенсией.
Во время Первой реставрации Бурбонов за критику нового режима Карно обвинили в якобинстве и отдали под надзор полиции. После того как над ним нависла реальная угроза ареста, он предпочел скрыться.
Во время «Ста дней» он сразу же примкнул к Наполеону, который назначил его министром внутренних дел, наградил Командорским крестом орд. Почетного легиона, пожаловал титул графа империи и возвел в звание пэра Франции. В условиях, когда вся феодально-абсолютистская Европа, как и в годы Великой французской революции, вновь ополчилась на Францию, Карно предложил Наполеону обратиться к опыту 1793 г., призвать весь народ на защиту страны, создать массовую армию и выдвинуть лозунг «Отечество в опасности!». Но Наполеон не решился на радикальный такой шаг, поскольку никогда не считал себя «вождем Жакерии» и не был готов окончательно залить Францию кровью, которой у нее после почти 20 лет жестоких (революционных и наполеоновских) войн уже почти не осталось. (А историки до сих пор прикидывают: не совершил ли он тогда еще одной роковой ошибки!? Впрочем, история не знает сослагательного наклонения.)
После сокрушительного поражения Наполеона при Ватерлоо, когда многие из его ближайших сподвижников вновь отвернулись от него,