Om han vinner väljarnas stöd kommer han att vara den första valda UK Independence Party-ledamoten i Commons.
Den euroskeptiske parlamentsledamoten sade att han inte trodde att premiärminister David Cameron var "allvarlig om den förändring vi behöver" i Europa.
Premiärministern beskrev hans avhopp som "regrettable" och "kontraproduktivt".
Carswell sade att beslutet att hoppa fartyg från de konservativa hade gett honom "sömnlösa nätter" men han ville se "grundläggande förändring i brittisk politik" och UKIP - ett parti som han trodde tillhörde dess medlemmar snarare än en "liten klick" av politiska insiders - kunde leverera det.
"Det här har inte varit ett lätt beslut. Jag har varit medlem i det konservativa partiet hela mitt vuxna liv. Den är full av underbara människor som vill Storbritanniens bästa.
"Min lokala konservativa förening i Clacton blomstrar. Det är en ära att få ringa mina vänner.
"Problemet är att många av dem som står högst upp i det konservativa partiet helt enkelt inte är på vår sida. De menar inte allvar med den förändring som Storbritannien så desperat behöver.
"Det är klart att de pratar före valet. De säger vad de anser att de måste säga för att få vårt stöd... men i så många frågor - om att modernisera vår politik, om att återkalla parlamentsledamöter, om att kontrollera våra gränser på mindre regering, om bankreformer, om att minska statsskulden, om en folkomröstning i EU - de faktiskt aldrig få det att hända.
Han sa att bara UKIP kunde "skapa den mysiga lilla klicken Westminster".
När det gäller Kenneth Camerons löfte om en EU-omröstning 2017, efter att ha omförhandlat befogenheter tillbaka från Bryssel, sade han att premiärministerns rådgivare hade "tydliggjort att de är ute efter att ingå ett avtal som ger dem tillräckligt för att övertyga tillräckligt många väljare att rösta för att stanna kvar".
Han tillade: "När jag väl insåg det blev min position i det konservativa partiet ohållbar."
Kenneth Cameron - som inte varnades av Carswell för hans plan att hoppa av - sade: "Det är uppenbarligen djupt beklagligt när saker och ting händer så här, när människor beter sig på detta sätt.
"Men det är också, enligt min mening, kontraproduktivt. Om ni vill ha en folkomröstning om Storbritanniens framtid i EU - vare sig vi ska stanna eller gå - är det enda sättet att få till det att ha en konservativ regering efter nästa val.
"Och det var vad Douglas Carswell själv sa tills alldeles nyligen."
När premiärministern talade uteslutande med BBC:s politiska redaktör Nick Robinson i Glasgow, sade han att by-selection i Clacton skulle hållas "så snart som möjligt" och han "vill se till att det finns en mycket stark konservativ kampanj i den platsen".
"Jag vill åka tidigt till Clacton av denna anledning: människor i Clacton röstade inte bara på Douglas Carswell, de röstade på en konservativ regering, för en konservativ ledamot av parlamentet," tillade han.
Analys av Brian Wheeler och Iain Watson
Douglas Carswells tillkännagivande överraskade Westminster fullständigt. UKIP hade berättat för alla att de var på väg att avtäcka en stor ny kändisdonator.
Ingen förväntade sig att en konservativ avhoppare skulle avslöjas i stället. Avhopparens identitet är kanske mindre förvånande - Carswell har en lång historia av uppror mot sitt parti och är känd för att vara djupt desillusionerad över vad han ser som David Camerons misslyckande med att rensa upp i Westminster-politiken och genomföra demokratiska reformer.
Men det är Carswells beslut att kalla till val i Clacton - snarare än att fortsätta att sitta i underhuset under en annan partibanner - som kommer att orsaka Cameron den största huvudvärken.
Utsikterna till nederlag är verkliga. Och om det händer, förvänta dig fler konservativa parlamentsledamöter att kräva en pakt - åtminstone informellt, säte - med UKIP vid nästa års allmänna val.
Det kommer att uppmuntra EU-skeptiska parlamentsledamöter att förhärda sin retorik om en folkomröstning och omförhandling. Och för att få väljarna att oroa sig för levnadskostnaderna kommer de att höra de konservativa - för att använda premiärministerns ord - "hålla på om Europa".
Tekniskt sett kunde platsen lämnas ledig till det allmänna valet. Men Cameron kan inte se ut som om han är "skraj" över Europa.
I Sydthanet valde de konservativa en senior UKIP-avhoppare.  De måste tråka ut sina medlemslistor för att hitta en annan euroskeptiker som kan ta sig an Carswell.
Konservativ ledamot Mark Pritchard - en euroskeptiker - sade att Carswell hade "flirtat med UKIP under en tid" och att hans avhopp skulle orsaka "kortvarig" skada för det konservativa partiet, eftersom han kan vinna valet.
Men han sade att väljarna skulle inse att en "röst för UKIP är en röst för Labour".
UKIP-ledaren Nigel Farage, som denna vecka valdes ut för att slåss mot South Thanet vid 2015 års allmänna val, delade plattformen med Carswell vid sin presskonferens.
Tory Douglas Carswell har hoppat av till UKIP och slutat som MP för Clacton, säger att han kommer att bestrida den efterföljande by-val för Nigel Farage parti.