Carlsen voitti maailmanmestaruusottelussa marraskuussa 2013 Viswanathan Anandin pistein 6½–3½. Siten hänestä tuli 22-vuotiaana 22. marraskuuta 2013 kuudestoista kiistaton shakin maailmanmestari. Carlsen säilytti maailmanmestaruuden vuonna 2014 ottelussa haastaja Anandia vastaan. Marraskuussa 2016 Carlsen puolusti menestyksekkäästi maailmanmestaruuttaan haastaja Sergei Karjakinia vastaan. Kamppailu oli tiukka, sillä Carlsen voitti vasta tie-breakin jälkeen ottelun ollessa tilanteessa 6–6. Kaksi vuotta myöhemmin Carlsen pelasi marraskuussa 2018 MM-ottelussa Fabiano Caruanaa vastaan. Kaikki 12 klassisilla aikarajoilla pelattua peliä päättyivät tasan, mutta Carlsen voitti lopulta ratkaisevat nopeammat pelit säilyen maailmanmestarina.