Ottawa Senators varasi Karlssonin NHL:ään vuoden 2008 kesällä järjestetyn . Hän oli varaustilaisuuden ensimmäisenä varattu ruotsalainen jääkiekkoilija ja järjestyksessään kolmas eurooppalainen. Samana kesänä Mississauga St. Michael's Majors varasi Karlssonin Pohjois-Amerikan pääjunioriliiga OHL:ään, mutta hän pelasi vielä seuraavan kauden Ruotsissa Elitserienin Frölundassa ja Allsvenskanin Borås HC:ssa. Vuodenvaihteessa hän edusti Ruotsin nuorten jääkiekkomaajoukkuetta osallistuen Ottawassa pelattuihin nuorten maailmanmestaruuskilpailuihin, jossa Ruotsi ylsi hopeamitaliin. Tehopisteillään 2+7=9 Karlsson oli koko kisojen toiseksi tehokkain puolustaja Kanadan P.K. Subbanin jälkeen, ja Kansainvälinen Jääkiekkoliitto valitsi hänet turnauksen parhaaksi puolustajaksi. Joukkueensa tehokkaimmaksi pelaajaksi yltänyt Karlsson valittiin myös kisojen tähdistökentälliseen ainoana ruotsalaisena.