Karlsson, der für den IFK Mora startete, wurde bei den Olympischen Winterspielen 1948 in St. Moritz Olympiasieger und Weltmeister über 50 km und Fünfter über 18 km. Im folgenden Jahr siegte er bei den Svenska Skidspelen in Sollefteå im 50 km-Lauf. Bei den Nordischen Skiweltmeisterschaften 1950 in Lake Placid holte er die Bronzemedaille über 50 km. Bei den Svenska Skidspelen 1950 in Östersund wurde er über 50 km. Im folgenden Jahr belegte er bei den Svenska Skidspelen in Sundsvall den dritten Platz über 18 km und den zweiten Rang über 50 km. Bei den Olympischen Winterspielen 1952 in Oslo errang er den sechsten Platz über 50 km und den fünften Platz über 18 km. Im März 1953 kam er bei den Lahti Ski Games auf den dritten Platz im 50 km-Lauf. Außerdem gewann er beim Holmenkollen Skifestival im Jahr 1947 im 18 km und im 50 km-Lauf und im Jahr 1951 nochmals im 50 km-Lauf.