קבוצת "כרמל" הינה הקבוצה המתקדמת ביותר, אשר לרוב מורכבת מתלמידים בשכבות י"א-י"ב. דרכה תלמידים יכולים להשתתף באולימפיאדות הבינלאומיות בכימיה ולייצג את מדינת ישראל בעולם.

התלמידים המגיעים לקבוצה מקבלים הרצאות מקיפות, מתאמנים בפתרון בעיות, מבצעים תרגילי מעבדה ונבחנים לקראת התחרויות.

התכנית כוללת ימי לימוד מרוכזים בטכניון ומחנות שנמשכים מספר ימים במהלכם התלמידים משוכנים באחד מבתי המלון בחיפה.
במהלך תקופת ההכנה התלמידים מקבלים גם אימון אישי וקשר רציף עם המאמנים.

בהתאם לגישת המצויינות הטכניונית, התלמידים נדרשים ליכולת לימוד עצמאית, משמעת עצמית, שמירה על אתיקה, רצינות והשקעה בלמידה. בקבוצה ישנם כ-15-30 תלמידים בשנה, מתוכם בעזרת מספר מיונים נבחרים תלמידי המשלחות אשר ייצגו את ישראל באולימפיאדות הבינלאומיות.