En mars 2013, Carlsen finit premier du tournoi des candidats de Londres. Ce succès le désigne comme le challenger qui affronte le champion du monde en titre, l'Indien Viswanathan Anand pour le Championnat du monde d'échecs 2013. Il s'impose face à son adversaire par un score de 6,5 – 3,5 à l'issue d'un match qu'il a dominé, faisant de lui l'un des plus jeunes champions du monde d'échecs de l'histoire. Il est le premier joueur de l'histoire à ravir les trois couronnes mondiales en gagnant en juin 2014, à Dubaï, les championnats du monde de parties rapides et de blitz. En décembre 2019, il remporte à nouveau les deux titres mondiaux en parties rapides et en blitz à Moscou.