Þráinn lauk ungur að árum vélsmíðanámi og síðar meistaranámi frá Vélskólanum á Akureyri. Framan af starfsævinni starfaði hann sem vélsmiður en hóf að leika með Leikfélagi Akureyrar árið 1956.
Þráinn var fastráðinn leikari hjá Leikfélagi Akureyrar frá því að félagið varð að atvinnuleikhúsi árið 1971 og fór með fjölda hlutverka í útvarpi, sjónvarpi og kvikmyndum. Þráinn var einn af stofnendum Alþýðuleikhússins árið 1974.
Þráinn var einn helsti máttarstólpi Leikfélags Akureyrar þar sem hann lék fjölda burðarhlutverka auk þess sem hann leikstýrði og hannaði leikmyndir. Árið 2006 var fimmtíu ára leikafmæli hans fagnað í Samkomuhúsinu á Akureyri. Þráinn leikstýrði hjá áhugafélögum á Norðurlandi og gegndi fjölmörgum trúnaðarstörfum fyrir Leikfélag Akureyrar, Félag íslenskra leikara, Iðnnemafélag Akureyrar og fleiri. Samhliða leikarastörfum sinnti hann myndlist.
Þráinn hlaut fjölda viðurkenninga um starfsævina og var m.a. valinn bæjarlistamaður Akureyrar.
Eftirlifandi eiginkona Þráins er Ragnheiður Garðarsdóttir. Dætur þeirra eru Rebekka, þroskaþjálfi og rússneskufræðingur og Hildigunnur, leikari og ritstjóri. Stjúpdóttir Þráins er Kristín Konráðsdóttir, bókavörður.
Jarðarför Þráins Karlssonar mun fara fram frá Akureyrarkirkju mánudaginn 30. maí n.k.
