26-åringen kom 36:a på tempoloppet över 17 kilometer, men eftersom marginalen ner till tvåan Vincenzo Nibali var nästan två minuter inför etappen räckte det till segern.
Hemmaåkaren Nibali tog in 49 sekunder på Carapaz sista dagen, men det räckte alltså inte och segermarginalen blev till slut en dryg minut. Slovenen Primoz Roglic blev trea i sammandraget.
Carapaz tog över den rosa ledartröjan efter en lång solokörning i bergen på den 14:e etappen den 25 maj och lyckades sedan stå emot attackerna från främst Nibali och Roglic.
Svenske Tobias Ludvigsson sparade sin bästa insats till den sista etappen. Den svenska tempomästaren gillar att köra mot klockan och slutade femma, bara elva sekunder från etappsegraren Chad Haga, USA.
- Jag är nöjd med mitt lopp i dag och kunde verkligen inte ha kört fortare, säger Ludvigsson till SVT.
28-åringen, som är hjälpryttare i sitt stall Groupama-FDJ, slutade på 82:a plats i sammandraget.