Karlsson ble i 2003 verdensmester i stafett, da han sammen med Niclas Jonasson og Emil Wingstedt løp inn til gull i sveitsiske Rapperswil. Han løp andre etappe for det svenske vinnerlaget. Jonassons fremste individuelle meritt opplevde han under VM på hjemmebane i Västerås i 2004. Da tok han sølv på langdistansen, kun slått av nordmannen Bjørnar Valstad. I Västerås ble det også bronse på stafetten ettersom gullaget fra VM i 2003 måtte se seg slått av Norge og Russland. Denne gangen løp Karlsson andre etappe for Sverige. Ny stafettbronse i VM ble det tre år senere i danske Aarhus. Jonasson, Wingstedt og ankermann Karlsson ble denne gangen slått av Russland og Finland.