31 января 2017 года на правах аренды до конца сезона перешёл в клуб «Реал Овьедо», представляющий Сегунду. 13 мая забил первый гол в составе «Овьедо», отличившись в гостевой встрече против «Химнастика» (2:2). 19 июля 2017 года контракт де Пены с «Мидлсбро» был расторгнут по обоюдному согласию сторон. В 2018 году Карлос выступал за «Насьональ», по окончании сезона стал свободным агентом. В январе 2019 года бразильский «Ботафого» объявил о переговорах с уругвайцем, однако по состоянию на начало февраля контракт с ним ещё не был заключён. 10 апреля 2019 года на правах свободного агента перешёл в киевское «Динамо». По итогам 2019 года уругвайский футболист был признан лучшим игроком клуба по версии болельщиков. В конце 2019 года Де Пена подписал новый двухлетний контракт с «Динамо».