Revelado pelas categorias de base do IK Sävehof, na Suécia, Sebastian Karlsson teve sua primeira experiência internacional aos 17 anos, atuando pelo clube espanhol Gades na temporada 2012–2013. Em seguida, retornou ao clube onde foi formado e permaneceu por dez temporadas, conquistando dois títulos nacionais, uma Copa da Suécia e uma EHF Challenge Cup.
O ponta direita foi eleito para a seleção ideal do campeonato sueco em 2022 e 2023, antes de assinar com o Montpellier Handball.
Com a seleção sueca, Sebastian Karlsson conquistou a medalha de bronze no Campeonato Europeu de 2024, disputado na Alemanha.
