Karlsson edusti Ruotsin jääkiekkomaajoukkuetta kolmissa jääkiekon maailmanmestaruuskilpailuissa, ensimmäisen kerran Prahassa 1959. Colorado Springsissä 1962 hän oli voittamassa maailmanmestaruutta ja Tukholmassa 1963 MM-hopeaa. Yhteensä hän pelasi maansa maajoukkueessa 66 A-maaottelua, viisi B-maaottelua ja kaksi nuorten maaottelua.