Карлен Мкртчян является воспитанником многократных чемпионов Армении — «Пюника». С 2007 года стабильно выступает за команду. С этого года начал привлекаться в состав молодёжной сборной Армении, за которую в 2008 году, в домашнем матче, забил свой первый и памятный мяч для армян в ворота турецкой сборной. С 2008 года также выступает и в национальной сборной. Первый матч провёл 2 февраля в столице Мальты Валлетте, против местной национальной сборной. Встреча закончилась со счётом 1:0 в пользу армянской команды. В чемпионате 2008 провёл все 28 игр, а также принял участие в золотом матче против ереванского «Арарата», в котором «Пюник» завоевал золотые медали.
10 января было сообщено, что Карлен отправился на предсезонный сбор в Турцию с «Кубанью». Вместе Мкртчяном на просмотр в «Кубань» отправился Геворг Казарян. В контрольном матче против астанинского «Локомотива» Мкртчян получил повреждение повлёкшее за собой операцию.
1 апреля 2011 года Мкртчяна заявил донецкий «Металлург», контракт был подписан на три года. С октября по декабрь, по итогам голосований поводимых на официальном сайте донецкого «Металлурга», признавался лучшим игроком клуба в октябре, ноябре и декабре 2011 года.