3月。1999年7月，卡爾·文森號在普吉灣海軍船塢（PugetSoundNavalShipyard）進行為期11個月的乾塢維修。趁著這次大修之際美國海軍投入了2億3千萬美元升級艦上的設備，而改裝後的暖車試航則一直持續到2000年時才告一段落。
2001年1月到6月，卡爾·文森號為準備執行第12次的海外部署，接受了嚴格的訓練，2001年7月23日它駛離布雷默頓軍港前往波斯灣以支援“南方守望”行動，但9月11日的恐怖攻擊卻突然改變了任務。為了對美國本土遭襲作出快速反應，原本是在印度洋上巡弋的該艦，接到命令改變航向駛往北阿拉伯海。2001年10月7日，它在“永久自由行動”（OperationEnduringFreedom）中率先發動空襲，而在此後長達72天的反恐戰爭中，卡爾·文森號上搭載的第十一艦載機聯隊（CVW-11）出擊超過4000架次。同年12月中旬，卡爾·文森號在返航的途中順訪了長崎軍港，並在抵達本土之前在新加坡度過了聖誕節。來年的4月改建進行了維修，並在9月份出海進行修整後的試航。
2003年1月卡爾·文森號本來應該接受為期一個月的飛行甲板考核，但卻為了要參與“伊拉克自由行動”（OperationIraqiFreedom）而延長值勤的時間。該艦在出海執行了長達九個月的任務後，終於返回母港。從2003年1月到9月，卡爾·文森號曾造訪泊靠過包括夏威夷、關島、韓國、日本、澳大利亞、香港和新加坡在內，位於亞太地區的港口或國家。
因為該艦參與的軍事行動，卡爾·文森號在2004年獲得了瑪喬麗·斯特雷特戰艦基金獎（MarjorieSterettBattleshipFundAward），以表彰美國太平洋艦隊中最具戰鬥精神的軍艦。
2005年1月，卡爾·文森號最後一次駛離布雷默頓軍港。在2005年1月到8月間它進行了環繞世界（WorldCruise）活動，其中包含數個月位於波斯灣地區支援伊拉克自由行動的行程。此次航行的重點包括停靠造訪新加坡、關島、巴林、阿聯酋、希臘羅德和葡萄牙裡斯本等港口。2005年環繞世界之旅的另一個重點是移防至該艦的新母港，弗吉尼亞州諾福克（Norfolk）。在進港後卡爾·文森號開始接受補給與綜合檢修工程（RefuelingandComplexOverhaul，RCOH），工作項目中包括替船上的兩具核子反應爐更換補充燃料棒。
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加勒比島國海地當地時間2010年1月12日16時53分（北京時間13日5時53分）發生裡氏7.3級地震（根據中國地震台網測定，海地當地時間2010年1月12日下午發生裡氏7.3級強烈地震），卡爾·文森號航空母艦1月15日駛抵海地，協助開展救災工作。
2010年11月30日，卡爾·文森號離開母港進行最後的訓練演習，並開赴西太平洋和波斯灣地區進行為期7個月的常規例行作戰部署。
2010年12月中旬，卡爾·文森號在西太平洋海域進行實戰演練。
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