Nació en Copenhague, Dinamarca, el 19 de Octubre de 1853.

Fue educado en una familia de artistas, su madre era pintora, pero la persona que más influyó en él fue su primo, también pintor.

Estudió arquitectura en la Real Academia de Copenhague, una vez finalizados sus estudios, en 1872, se marchó a Estados Unidos. Vivió en Chicago, donde trabajó como ayudante de un arquitecto.

Continuó formándose y en 1875 se marchó a Paris, donde fue muy influenciado por Jean-Baptiste-Siméon Chardin, pintor francés de bodegones.

Volvió a Estados Unidos y montó su estudio en Nueva York, a partir de ese momento empezó a pintar naturalezas muertas. No le fue fácil vender sus obras. Durante una época se marchó a Boston y ahí tuvo más suerte en la venta de sus trabajos. De nuevo volvió a Nueva York y continuó esforzándose por vender sus obras.

En 1879, realizó una subasta para intentar mejorar su economía, pero no tuvo éxito, debido a toda ésta situación tuvo que dejar su estudio y dedicarse al grabado, pero se sentía mal por no poder pintar lo que él quería.

En 1883, presentó un bodegón en una exposición de la Academia de Bellas Artes de Pensilvania, y fue uno de sus primeros trabajos más destacados.

En 1884, volvió a Europa, durante esta época realizó bodegones de flores para el marchante Theron J. Blakeslee.

En 1885, presentó dos obras en el Salón de París.

Entre 1887 y 1889, se marchó a San Francisco y fue director de la Escuela de Diseño de California.

En 1891, se trasladó al éste de California e impartió clases en la Academia Nacional de Diseño en la Art Student´s, a través de su relación con otros pintores de Nueva York, comenzó a pintar paisajes. A principios del siglo XX visitó a su amigo Julián Alden Weir en Branchuille. Allí estuvo en la Granja Weir, donde muchos pintores pintaban paisajes al aire libre.

Carlsen, fue considerado uno de los pintores impresionistas estadounidenses más respetados.

En 1896, se casó con Luela Mary Ruby, y en 1901 tuvieron un hijo, Dines Carlsen. Lo educaron en casa, su madre le enseñó estudios escolares y su padre le inculcó el arte, con tan sólo trece años expuso alguna obra en la Academia Nacional de Diseño, y en 1922, con 21 años, fue nombrado académico nacional.

Expuso junto a su padre en la Grand Central Galleries de Nueva York.

En 1905, compró una casa en Falls Village, Connecticut, junto a su familia pasaba allí la mayor parte de su tiempo, cuando no tenía otros compromisos.

Durante su carrera obtuvo algunos premios importantes como:

Medalla de Oro, Exposición de Compra de Luisiana, St. Louis.

Premio Shaw, Academia Nacional de Diseño.

Medalla de Honor, Exposición Internacional Panamá-Pacífico, San Francisco, California.

Falleció el día 2 de enero de 1932 en Nueva York.