Karlsen ble uteksaminert cand.pharm. fra Universitetet i Oslo i 1964 og disputerte for graden dr.wiss. ved Universitetet i Leiden, Nederland i 1968. Han ble tilsatt som førsteamanuensis ved Farmasøytisk institutt i 1972 og utnevnt til professor i galenisk farmasi i 1988. Karlsen ledet fram til avgang med pensjon i 2011 Farmasøytisk institutts Avdeling for farmasi. Ved Farmasøytisk Institutt bygget han opp et moderne forskningslaboratorium og ledet an i farmasøytisk forskning gjennom flere tiår. Blant Karlsens vitenskapelige interesseområder kan nevnes kromatografiske metoder, naturstoffer og deres kjemi, fotoaktive stoffer, formulering av gelpreparater og farmasøytisk historie.