W reprezentacji Norwegii Karlsen zadebiutował 21 czerwca 1973 w przegranym 0:1 meczu Mistrzostw Nordyckich z Danią. W swojej karierze grał m.in. w eliminacjach do Mistrzostw Świata 1974 oraz 1978, a także eliminacjach Mistrzostw Europy 1976 i 1980. W latach 1973–1979 w drużynie narodowej rozegrał 35 spotkań.