Carlsen sinh ra ở Na Uy vào ngày 20 tháng 04 năm 1990, là con của Sigrun Øen, một kỹ sư hóa học và Henrik Albert Carlsen, nhà tư vấn trong lĩnh vực IT. Gia đình cậu sống một năm ở Espoo, Phần Lan, sau đó chuyển đến Brussels, Bỉ rồi trở về Na Uy vào năm 1998 và định cư ở Lommedalen, Bærum. Sau đó họ chuyển đến Haslum.[3] Carlsen bộc lộ năng khiếu với những thử thách trí tuệ: khi mới 2 tuổi, cậu có thể giải trò chơi xếp hình 50 miếng, khi 4 tuổi, cậu chơi Lego với hướng dẫn dành cho trẻ em từ 10-14 tuổi.[4] Carlsen được bố dạy chơi cờ vua năm 5 tuổi mặc dù cậu không thấy hứng thú với cờ vua.[5] Carlsen có ba người chị, và năm 2010, Carlsen nói rằng một trong những điều làm cho anh có động lực chú tâm vào cờ vua xuất phát từ mong ước đánh bại chị của mình. Cuốn sách đầu tiên mà cậu đọc là của Bent Larsen: Find the Plan.[6] Carlsen tự phát triển các kỹ năng cờ vua của mình bằng cách chơi cờ vua một mình hàng giờ liền – di chuyển các quân cờ trên bàn cờ, tìm các đòn phối hợp và chơi lại các trận đấu hoặc một thế trận nào đó được bố mình dạy. Cậu tham dự giải đấu đầu tiên – hạng đấu trẻ nhất của Giải Vô địch Cờ vua Na Uy 1999 – khi 8 tuổi 7 tháng, đạt 6½/11 điểm.[7]

Carlsen sau đó được huấn luyện tại Trường Trung học Thể thao Chuyên nghiệp Na Uy (Norwegian College of Elite Sport) bởi kỳ thủ hàng đầu quốc gia, Đại kiện tướng Simen Agdestein.[8] Vào năm 2000, Agdestein giới thiệu Carlsen với Torbjørn Ringdal Hansen, một Kiện tướng Quốc tế (IM) và cựu vô địch trẻ của Na Uy. Họ bắt đầu tập luyện hàng tuần vào tháng 3. Carlsen thăng tiến rất nhanh với Hansen, giành được hơn một nghìn điểm elo trong vòng chưa đầy một năm. Giải đấu đánh dấu bước ngoặt của cậu là Giải Vô địch Cờ vua Na Uy trẻ vào tháng 9, năm 2000, khi Carlsen giành được 3½/5 trước các kỳ thủ trẻ hàng đầu Na Uy và Rating Performance (PR) khoảng 2000.[9] Ngoài việc chơi cờ mà Carlsen học từ 3 đến 4 tiếng mỗi ngày, cậu thích chơi bóng đá, trượt tuyết và đọc truyện tranh Donald Duck [10]

Từ mùa thu năm 2000 đến cuối năm 2002, Carlsen chơi khoảng 300 giải đấu tính elo, vài giải cờ chớp và một vài giải đấu nhỏ khác.[11] Cậu đạt 3 chuẩn Kiện tướng Quốc tế gần như liên tiếp: lần đầu vào tháng 1 năm 2003 tại giải Gausdall Troll Masters (7/10 điểm, 2345 PR); lần thứ hai vào tháng 6 năm 2003 tại giải Salongernas IM ở Stockholm (6/9, 2470 PR); lần thứ ba vào tháng 7 năm 2003 tại Cúp Politiken ở Copenhagen (8/11, 2503 PR). Cậu được chính thức phong là Kiện tướng Quốc tế vào ngày 20 tháng 8 năm 2003.[12] Sau khi học xong tiểu học, Carlsen nghỉ một năm để tham dự các giải đấu quốc tế tổ chức ở châu Âu trong suốt mùa thu năm 2003.[13] Cùng năm đó, cậu đồng hạng 3 tại giải Vô địch U14 châu Âu.[14]