Ab 2012 trat er zusammen mit Kristian Karlsson an, an dessen Seite er 2012 bei der EM Silber gewann und sich für die Pro Tour Grand Finals qualifizierte. Auch bei den Weltmeisterschaften 2013 und 2015 zeigte das Duo durch das Erreichen des Achtelfinals gute Leistungen. Als Einzelspieler waren Mattias Karlsson bis dahin noch keine großen Erfolge gelungen, im September 2015 befand er sich aber bereits auf Platz 106 der Weltrangliste. In diesem Monat schlug er bei den Austrian Open den Weltranglisten-14. Jung Young-sik und kam bei der Europameisterschaft unter die letzten 32, sodass er in der Weltrangliste auf Platz 74 und damit erstmals in die Top 100 vorrückte. Bei den Polish Open im Oktober holte er mit Kristian Karlsson nicht nur Gold im Doppel – damit wurde er der erste Schwede mit zwei Pro Tour-Doppeltiteln –, sondern schlug unter anderem auch den chinesischen Weltranglisten-13. Yan An, sodass er in der Weltrangliste einen weiteren großen Sprung auf Platz 53 machte. 2016 war er bei der Weltmeisterschaft und den Olympischen Spielen Teil des schwedischen Teams, das jeweils das Viertelfinale erreichte und dann gegen China bzw. Südkorea ausschied. In der Saison 2016/17 spielte er für den französischen Erstligisten AS Pontoise-Cergy TT, mit dem er ins Champions-League-Halbfinale kam.