Efternavnet Carlsen (historisk set også stavet Karlsen) er et klassisk nordisk patronymikon (et fadersnavn), der ordret betyder "søn af Carl". Det tilgrundliggende mandsnavn Carl (eller Karl) stikker sine etymologiske rødder dybt ned i den urgermanske og pærenordiske sprogstamme. Navnet stammer oprindeligt fra det oldnordiske substantiv karl, som bærer den direkte betydning "fri mand", "voksen mand" eller "gæv karl" – i modsætning til en træl eller en adelsmand. I vikingetiden og den tidlige middelalder vandt navnet kolossal udbredelse i hele Europa, navnlig på grund af den frankiske kejser Karl den Store (Charlemagne), og det konsoliderede sig efterfølgende som et af de mest sejlivede og stolte kongelige og folkelige mandsnavne i Skandinavien.
Navnets historie i de danske slægter afspejler overgangen fra det ældre bondesamfunds levende patronymtradition til det moderne administrative navnesystem. Gennem århundrederne skiftede efternavnet ved hvert eneste generationsskifte; en søn af en fader ved navn Carl fik efternavnet Carlsen, mens en datter blev indskrevet som Carlsdatter (eller Karlsdatter). Fornavnet Carl var historisk set overvældende populært i alle lag af det danske samfund – fra de kongelige linjer til de mest beskedne husmandsfamilier på landet. For at skabe administrative, skattetekniske og militære strukturer greb statsmagten ind med Navnelovene i 1800-tallet. Dette skete indledningsvist med forordningen af 1828 og endeligt med den skelsættende navnelov af 1856 (ofte omtalt som 1853-loven pga. sit forarbejde). Loven fastfrøs de eksisterende patronymer permanent, hvilket betød, at den slægtleds-specifikke navngivning ophørte, og Carlsen stivnede som et fast, permanent arveligt slægtsnavn for de efterfølgende generationer.
I det moderne Danmark er Carlsen et yderst traditionelt, velkendt og almindeligt efternavn. Ifølge officielle og opdaterede tal fra Danmarks Statistik bærer i alt 11.458 danskere efternavnet stavet specifikt som Carlsen. Det placerer Carlsen solidt i den øverste top som landets 36. mest almindelige efternavn i hele den danske befolkning (hvis det lægges sammen med stavevarianten Karlsen, som bæres af yderligere 4.410 danskere, rykker navnestammen endnu højere op). Selvom de traditionelle -sen-efternavne over de seneste årtier har vist en svagt faldende tendens i befolkningen, fordi mange familier søger mod mere unikke mellemnavne eller beskyttede slægtsnavne, bevarer Carlsen en urokkelig og prominent status i det samlede danske navnelandskab.
Henning Carlsen (1927–2014) var en internationalt anerkendt og markant dansk filminstruktør, manuskriptforfatter og producent, som opnåede historisk berømmelse for sit filmiske mesterværk Sult (1966) baseret på Knut Hamsuns roman, og han betragtes som en af efterkrigstidens absolut mest betydningsfulde fornyere af dansk filmkunst.
J.A. Carlsen (Jens Anker Carlsen, 1913–1996) var en prominent dansk modstandsmand og officer, der under Danmarks besættelse spillede en helt central historisk rolle i modstandsbevægelsen i Jylland, og som efter krigen fortsatte en højt respekteret karriere i det danske forsvar.
Ferdinand Carlsen (Ferdinand Albert Carlsen, 1820–1891) var en anerkendt dansk guldaldermaler og konservator, som uddannede sig på Det Kongelige Danske Kunstakademi, og som opnåede stor national anerkendelse for sine detaljerede genrebilleder, dyremalerier og dybsindige skildringer af det danske folkeliv i 1800-tallet.
Navnet optræder hos 324 personer.