Etter medisinstudium ved UiO var han turnuskandidat på Stord og i Ål og senere overlege ved barneavdelingen på Ullevål sykehus. Deretter var han avdelingsoverlege ved Voksentoppen senter for astma, allergi og lungesykdommer. Carlsen ble dr. med. i 1988 med en avhandling om sammenhengen mellom virusinfeksjoner og astma hos barn. I 1992 ble han professor II i idrettsmedisin ved Norges idrettshøgskole og i 2002 professor I i barnesykdommer ved UiO. Han publiserte over 300 forskningsartikler og veiledet nærmere 25 kandidater til den medisinske doktorgrad (dr.med.).