Bakom en suverän Therese Johaug, som tog sitt fjärde guld i Oberstdorf, spurtade Karlsson om medaljerna mot Ebba Andersson och Norges Heidi Weng.
Weng vann kampen om silvret, men Karlsson krigade till sig ett brons – 21-åringens tredje medalj på VM efter att tidigare ha tagit två silver.
Direkt efter målgång tog sig Karlsson för armen och skrek ut sin smärta. Hon fick snabbt hjälp, leddes ut ur målområdet och medan Johaug och Weng jublade över sina medaljer fördes svenskan med ambulans till sjukhus.
Landslagsläkaren Anders Englund var nästan säker på att hon hade brutit handleden.
– Man såg ju att det var kraftigt svullet och då brukar det ofta vara en fraktur. Tack och lov så var det inte det. Men en frakturerad hand, det borde inte ha gått över huvud taget, säger Englund.
Röntgenplåtarna visade ingen fraktur, och Karlsson klarade sig i stället undan med en mjukdelsskada. Att hon kunde fullfölja tremilen var inte mindre imponerande för det, säger Englund.
– Det säger det mesta om henne, skulle jag säga. Det är helt otroligt att ändå prestera och dessutom vinna en spurt, det är enastående.
"Tog tvärstopp"
Skadan uppstod med ungefär en mil kvar att köra, när Karlsson, Andersson och Weng kraschade i en brant utförsbacke.
– Det tog tvärstopp och vi har ingen chans att undvika fallet. Jag kommer först och mina skidor bara suger fast i snön och jag har ingen chans att alls undvika det, och så föll Frida och Heidi med, säger Ebba Andersson.
Både Andersson och Weng klarade sig utan att göra sig illa. Värre var det för Karlsson, som gjorde illa handleden.
"Jag fick ont men jag körde på och hade bara medalj i tankarna. Det gjorde ont hela vägen men det var i mål som jag kände att jag hade väldigt ont", säger Frida Karlsson i en första kommentar.
Besviken fyra
Det blev ett rafflande lopp, bakom den överlägsna vinnaren vill säga. Therese Johaug var återigen på en helt egen nivå, drog ifrån tidigt och vann till slut med över två och en halv minut.
Men bakom norskan utvecklades de tre milen till ett dramatiskt lopp där Frida Karlsson och Ebba Andersson spelade två av huvudrollerna.
Efter fallet ryckte österrikiskan Teresa Stadlober, som var den enda som undvek att dras med i kraschen, åt sig ett grepp om silvret med ett försprång på drygt 20 sekunder. Men när Karlsson, Andersson och Weng väl kommit på benen tog de snabbt upp jakten och tog sig också i kapp.
Stadlober fick så småningom ge upp men de övriga tre hängde ihop ända in på stadion. Där lyckades norskan Weng få en innerkurva och ett litet försprång som gav hennes den marginal som krävdes för att ta silvret i en spurtuppgörelse.
Frida Karlsson tog bronset, medan Ebba Andersson slutade fyra.
– Just nu är jag väldigt besviken över hur loppet utvecklade sig, säger Andersson efteråt.
För Therese Johaug var det fjärde VM-guldet i Oberstdorf. Hon vann alla tre distansloppen och körde en sträcka i Norges vinnande stafettlag.
Därmed går hon upp på andra plats i VM-historien sett till antal guld och medaljer förbi ryskan Jelena Välbe och endast bakom landsmaninnan Marit Bjørgen.
Johaug har nu 14 guld och totalt 19 VM-medaljer.