Anton Carlson wuchs als Halbwaise unter ärmlichen Bedingungen im ländlichen Schweden auf. Er folgte 1891 seinem älteren Bruder Albin als Auswanderer nach Chicago in die Vereinigten Staaten, wo er zunächst als Zimmermann arbeitete, dann aber 1898 am Augustana College einen Bachelor und 1899 einen Master erwarb. Anschließend arbeitete Carlson als Hilfspfarrer einer Lutherischen Kirche in Anaconda, Montana, beschloss dann aber, an der Stanford University Physiologie zu studieren. 1902 erhielt er dort seinen Ph.D. bei Oliver Peebles Jenkins. 1903/1904 arbeitete er als Forschungsassistent an der Carnegie Institution und erhielt 1904 eine Festanstellung an der University of Chicago, wo er den Rest seiner akademischen Karriere verbringen sollte, obwohl er mehrfach Rufe an andere Universitäten erhielt. 1940 wurde er als John P. Hixon Distinguished Service Professor of Physiologyemeritiert.
Carlson arbeitete zunächst zur Reizleitung des Herzens (Modellorganismus: Pfeilschwanzkrebse), wendete sich aber bald endokrinen Drüsen und ihrer Funktion zu: Schilddrüse, Nebenschilddrüse, Bauchspeicheldrüse. Die entsprechenden Tierversuche beinhalteten typischerweise zunächst die operative Entfernung einer Hormondrüse, die Beobachtung der resultierenden Krankheitszustände und dann die Versuche, durch spezielle Fütterung oder Medikamentengabe diese Zustände wieder zu beheben. Carlson, obgleich ohne eigenen medizinischen Abschluss, bildete Medizinstudenten aus und arbeitete eng mit der klinischen Medizin der Universität zusammen.
Im Ersten Weltkrieg meldete sich Carlson freiwillig. Er wurde in der Lebensmittelüberwachung für die Truppen eingesetzt und in den unmittelbaren Nachkriegsjahren in humanitären Einsätzen für die hungernde Zivilbevölkerung in den unterlegenen Staaten. Diese Erfahrungen machten ihn zu einem erbitterten Gegner des Krieges und des Militarismus.
