Carlson se interesó por el mundo de la artes gráficas, llegando incluso a editar un par de números de una revista en sus años de estudiante. Trabajó desde muy temprana edad debido a su situación familiar, pero siempre supo combinar estudios y trabajo. A los 24 años obtuvo su título de Físico en el Instituto Tecnológico de California y comenzó a trabajar como inventor en las filas de Bell Telephone Laboratories, en Nueva York. Posteriormente trabajó para un abogado de patentes y poco después encontró empleo en el departamento de patentes de la empresa ahora conocida como Duracell. En 1939 se licenció en derecho.
Fue trabajando en el departamento de patentes de Duracell cuando se dio cuenta de lo útil que sería un sistema que permitiese copiar mecánicamente documentos, evitando el único sistema no manual existente hasta el momento, los fotóstatos, un caro proceso óptico que consistía en fotografiar el documento y el negativo generado para imprimir una copia, invirtiendo aproximadamente 2 minutos para cada página. Comenzó a trabajar en un sistema más barato y eficiente basado en la fotoconductividad, una propiedad según la cual la luz puede incrementar la conductividad eléctrica de ciertos materiales sometidos a las condiciones apropiadas. Cuando la luz incide en un material eléctricamente cargado, las partes oscuras atraen un polvo magnético mientras que las partes iluminadas lo rechazan. Fundiendo este polvo sobre una página en blanco se obtiene una copia similar al original.
Carlson se asoció con Otto Kornei, un físico austríaco. Prepararon su laboratorio en el cuarto trasero de una casa en Astoria, Nueva York. El 22 de Octubre de 1938 hicieron su experimento histórico basándose en los estudios de Chester. Kornei escribió las palabras 10-22-38 ASTORIA en tinta india en un cristal de microscopio y consiguieron su primera copia casi perfecta. Solo quedaba comercializar el invento. La marina estaba interesada en la producción de copias secas de documentos, pero no en la idea de Carlson. Tras la negativa del ejército, llevó su idea al Battelle Memorial Institute, en Ohio. Allí se entrevistó con el director general John S. Crout, quien pronto se interesó por el proceso. Entre 1946 y 1953 Crout negoció una serie de contratos con la Haloid Company, que en 1961 pasó a llamarse Xerox Corporation, para comercializar la idea de Carlson.
Xerox hizo su primera venta de una copiadora Haloid en 1950. En 1959 se produjo la Xerox 914, de la cual se vendieron en 6 meses las unidades que la compañía había proyectado vender durante la vida total del producto. En 1981 Se incluyó a Carlson en el salón de la fama de los inventores americanos. Su invento lo hizo rico a él y al Battelle Memorial Institute. Revolucionó la ley de copyright y la forma de trabajar de la gente. Hoy día, la física detrás de la Xerografía continúa permitiendo el desarrollo de aparatos como la impresora laser o el fax.
