Carlsen förseglade segern efter tre veckors lek och en serie slipsbrytare i New York.
Karjakin knuten mot Carlsen i 12 regelbundna rundor men blev slagen i slutfasen av fyra snabba matcher.
Organisatörer sade att evenemanget följdes av omkring sex miljoner schackfans runt om i världen.
Hundratals åskådare betalade mellan 100 och 500 dollar för att se matcherna på en före detta fiskmarknad på Manhattan, skild från de två stormästarna med ljudisolerat glas.
Efter segern hälsade Carlsens anhängare på honom genom att heja och sjunga "Grattis på födelsedagen", för att markera hans 26-årsdag.
Pojken som erövrade schackvärlden
Priset på $1.1m (Â £879.000) delas mellan de två spelarna med vinnaren tar 60%.
Chess nådde toppen av sin popularitet på 1970-talet, då spelet överskuggades av rivalitet under kalla kriget.
1972 blev den amerikanske Bobby Fischers seger över den ryske försvararen Boris Spassky vid världsmästerskapet i schack på Island döpt till århundradets match.
Kommentarerna nämnde aktuella geopolitiska spänningar i samband med årets match när Kirsan Ilyumzhinov, Rysslands president i World Chess Federation, anklagades av USA för att samarbeta med den syriska regeringen och hindrades från att resa till New York.
Magnus Carlsen av Norge har vunnit World Chess Championship för tredje gången i rad efter att ha besegrat Rysslands utmanare Sergey Karjakin.