Etter to perioder som vararepresentant blei Karlsen i 1927 valgt inn på Stortinget. Hun var første kvinne på fast plass for Arbeiderpartiet. Stortingsvalget i 1930 var dårlig for partiet, så Karlsen blei igjen vara, men kom tilbake på fast plass i 1933. I mellomtida var hun i 1932 som første kvinne valgt til formann i Oslo Arbeidersamfunn.