Karlsen har tidligere vært rådsmedlem i Stiftelsen Norsk Luftambulanse, Region Nord, og har jobbet som anestesilege ved Nordlandssykehuset HF og ved 330 skvadron avd. Bodø fra 2003 og frem til han gikk ut i full permisjon i oktober 2014. Han ble 17. oktober 2014 utnevnt til statssekretær for samferdselsminister Ketil Solvik-Olsen i Samferdselsdepartementet og satt frem til han fikk avskjed i nåde 1. desember 2017.