Carlsen ble senere tilsluttet sjakklinjen ved Norges Toppidrettsgymnas, hvor han ble trent av GM Simen Agdestein. I 2000 presenterte Agdestein ham for tidligere vinner av junior-NM, IM Torbjørn Ringdal Hansen, og de startet ukentlige økter med trening i mars 2000. Han gjorde betydelige framskritt gjennom samarbeidet med Ringdal Hansen, og økte sin rating med over 1000 poeng i løpet av litt over ett år. Et av hans gjennombrudd i turneringssammenheng var i junior-NM i sjakk i september 2000, to måneder før han fylte 10 år, der han oppnådde 3½ av 5 poeng mot Norges beste juniorspillere, noe som var en ratingprestasjon på om lag 2000. I tillegg til sjakk, som Carlsen studerte tre til fire timer hver dag, likte han å spille fotball, stå på ski og lese tegneserier.