Aunque pudo ser profesor en cualquier universidad importante, decidió trabajar para la empresa DuPont. Esta empresa creó en 1928 un departamento dedicado a la investigación básica que fue dirigido por Carothers. El trabajo dirigido por Carothers fue muy fructífero. Primero sintetizó el neopreno, un polímero similar al caucho, con mejores propiedades que éste. Posteriormente sintetizaron poliésteres, que aún constituyen la base de los tejidos que usamos. Su mayor éxito se produjo en el área de las poliamidas, polímero similares a las proteínas, que son uno de los tipos de polímeros más usados. La poliamida más conocida y usada es el Nylon. 

La apuesta de DuPont fue acertada, demostrando que la investigación básica también es rentable para las empresas. Esta decisión convirtió a DuPont en líder mundial de la industria química.

La biografía de Carothers se titula "Suficiente para una vida". Un título muy descriptivo para todos sus grandes logros.

Por desgracia, sufrió depresiones serias toda su vida. Tras el fallecimiento de su hermana, a la que estaba muy unido, decidió quitarse la vida el 29 de abril de 1937. No llegó a conocer el gran éxito comercial del Nylon (desde 1941) ni a su hija, que nació huérfana unos meses después.