Licenciado en Medicina por la Universidad de Valencia con premio extraordinario fin de carrera (1964),[5] se doctoró en la misma universidad dos años más tarde. Becado por el Ministerio de Educación, la Fundación Fullbright y la Fundación Juan March trabajó y amplió su formación hasta 1971 en la Universidad de Friburgo (Alemania) y en la de Minesota (Estados Unidos), donde trabajó con Francisco Grande Covián preparando su tesis doctoral.[4] Establecido en España en 1972 accedió como profesor adjunto en la Facultad de Medicina de la universidad valenciana. En 1975 alcanzó la cátedra de Patología y Clínica Médicas en la Universidad de Murcia y trabajó en el Hospital Clínico Universitario Virgen de la Arrixaca hasta 1982, cuando se incorporó a la cátedra en la Universidad de Valencia —de la que es profesor emérito desde 2010— y el Hospital Clínico Universitario de Valencia.[4] En los años 1980 y 1990 fue profesor visitante de las universidades de Minesota, Montreal (Canadá) y La Plata (Argentina).[4]
Rafael Carmena es considerado un referente en el ámbito de la medicina interna y en sus aportaciones a la endocrinología.[6] Su producción científica supera las ciento sesenta publicaciones en revistas de prestigio y amplio impacto, más de treinta tesis doctorales dirigidas,[4] diez libros relevantes[1] además de conferencias y ponencias en congresos y reuniones nacionales e internacionales.[5]
Entre los galardones profesionales recibidos se encuentran el Premio Rey Jaime I en la modalidad de Medicina Clínica otorgado por la Generalidad Valenciana en 2002, por «sus trabajos sobre los factores de riesgo asociados a la arteriosclerosis. Especializado en el estudio de la obesidad y diabetes, sus aportaciones han tenido una amplia repercusión para el conocimiento y mejora de los estándares de salud pública»[3] y la Distinción al Mérito Científico en 2012, también de la Generalidad Valenciana.[3] Es doctor honoris causa por la Universidad Cayetano Heredia (Perú, 2012)[6] y por la Universidad de Murcia (2013), miembro de honor de distintas sociedades científicas,[5] académico de número de la Real Academia de Medicina y Cirugía de Murcia (1981), de la de Valencia (1993), miembro de la Academia de Ciencias de Nueva York, la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia y la Asociación Europea para el Estudio de la Diabetes, entre otras.[4]