Nasceu em 21 de fevereiro de 1845, na cidade de Paraíba do Sul (RJ), filho de Pedro Affonso de Carvalho e Luiza Helena de Carvalho. Formou-se em medicina pela Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro, em 1869, e pela Universidade de Paris, em 1871. O título de barão de Pedro Affonso foi outorgado por Pedro II em 31 de agosto de 1889, pouco antes da Proclamação da Republica. Foi professor do Colégio Pedro II e de patologia cirúrgica na Faculdade de Medicina do Rio de Janeiro. Criou em 1894 o Instituto Vacínico Municipal, de sua propriedade, com o objetivo inicial de desenvolver um serviço de vacinação contra a varíola na capital do país. Em 1900 foi instalado na fazenda Manguinhos, subúrbio da cidade do Rio de Janeiro, o Instituto Soroterápico Federal, que esteve sob sua direção até 1902, quando assumiu o posto Oswaldo Cruz, com quem tivera divergências a respeito de questões técnicas e administrativas. O nome do instituto foi mantido até 1907 quando recebeu a denominação de Instituto de Patologia Experimental de Manguinhos. Em 1908 este passou a se chamar Instituto Oswaldo Cruz (IOC). O Instituto Vacínico foi extinto em 1920, quando a produção de vacina antivariólica passou a ser atribuição do IOC. Integrou a Academia Nacional de Medicina como patrono da cadeira n. 5 da Seção de Medicina. Morreu em 5 de novembro de 1920, no Rio de Janeiro.