Karvonen iniziò la sua attività di ricercatore subito dopo il Master degree, lavorando nel reparto di fisiologia dell'Università di Helsinki, occupandosi dapprima di medicina dello sport e medicina del lavoro. Fu tra i primi studiosi a esaminare i rapporti esistenti tra alcune patologie croniche, le abitudini alimentari e la pratica dell'esercizio fisico. Questi suoi interessi lo portarono presto in contatto con il fisiologo americano Ancel Keys. Karvonen convinse Ancel Keys che la Finlandia, a metà del XX secolo, era un paese chiave per lo studio di alcuni problemi cruciali delle patologie cardiovascolari: l'influsso delle differenze culturali sull'incidenza epidemiologica dell'infarto e il ruolo giocato nell'aterosclerosi dai diversi regimi alimentari. Ne nacque un primo studio esplorativo, pubblicato su "The Lancet" insieme ad Ancel Keys e Flaminio Fidanza, con cui si rilevarono concentrazioni plasmatiche di colesterolo molto più alte nelle regioni finlandesi orientali rispetto a quelle occidentali.