На международном уровне Карлссон неоднократно привлекался в юниорскую и молодёжную сборную Швеции, став победителем молодёжного чемпионата мира 2012 года. 21 мая 2017 года вместе со взрослой сборной Вильям стал чемпионом мира, отыграв во всех десяти матчах первенства и набрав три очка за результативность.