El 26 d'abril de 2004 Carlsen va esdevenir GM a l'edat de 13 anys i 148 dies, cosa que el convertí en el segon més jove Gran Mestre de tots els temps. La seva actuació el setembre-octubre de 2009 al Torneig de Pearl Spring a Nanquín fou descrita com una de les millors de tots els temps, i el va portar a incrementar el seu Elo fins als 2801 punts, el segon del món del moment. És el cinquè jugador que ha assolit una puntuació per sobre de 2800 a l'edat de 18 anys, de lluny la persona més jove a aconseguir-ho. Ha estat també Campió del món de partides semiràpides el 2009, el més jove de la història. A la llista Elo de la FIDE d'1 de gener de 2010 va esdevenir, a l'edat de 19 anys i 32 dies, el jugador més jove de la història a ser el número 1 mundial, trencant el rècord prèviament establert per Vladímir Kràmnik. A la llista d'Elo de la FIDE de gener de 2013, va assolir els 2861 punts, sobrepassant així el rècord de 2851 que tenia Garri Kaspàrov des de juliol de 1999. Carlsen es classificà per al Torneig de Candidats que va tenir lloc el març-abril de 2013, i el guanyà. Així obtingué el dret de reptar el Campió del món regnant Viswanathan Anand al Campionat del món d'escacs de 2013, en un matx que guanyà el novembre de 2013, i va esdevenir el 16è Campió del Món. El novembre de 2014 va revalidar el títol en vèncer novament Anand. Posteriorment ha defensat el títol reeixidament contra Serguei Kariakin el 2016, i contra Fabiano Caruana el 2018.