Lilla Karlsö är ett naturreservat som ligger i Gotlands län, Gotland kommun och förvaltas av Länsstyrelsen i Gotlands län. Reservatet skapades den 9 maj 1955 och har en storlek på 936 hektar. Av detta utgör 158 hektar landyta och endast 1 hektar utgörs av skog. Resten utgörs av 778 hektar vatten.
Ön har en cirkelrund högplatå som når en höjd av 66 meter över havet och omges av branta stup i öst och väst samt låga slätter i norr och söder. Lilla Karlsö är en ö med fågelberg och fårbetade kalkhedar. Får har betat på ön i tusentals år och detta har gett växtligheten en hedartad karaktär där smalbladiga gräs som fårsvingel dominerar.
På ön har drygt 360 arter kärlväxter påträffats, bland annat ovanliga växter såsom hjorttunga, hjärtstilla, gotländsk nunneört, hylsnejlika och kransborre. Ön är också hem till drygt 70 arter fåglar som häckar där. I Öster- och Västerbergets branter bor tusentals sillgrisslor, tordmular och storskarvar. Andra vanliga häckfåglar är gråtrut, havstrut, silltrut, fiskmås, silvertärna och småtärna.
På ön finns också fåglar som ejder, gravand och skärpiplärka. I klippbranterna har hussvalor och tornseglare sina bon. Gråsäl uppehåller sig regelbundet vid öns stränder och det finns också något hundratal snokar som lever främst av fisk.
Det har sannolikt aldrig funnits bofasta människor på Lilla Karlsö. Ön har istället utnyttjats säsongsvis för fiske, säljakt och fårbete. På ön finns flera gravar från bronsålder, järnålder och medeltid. På Norderslätt finns flera grunder efter sjöbodar från 1700-talet.
Trots att Lilla Karlsö är granne med Stora Karlsö skiljer sig öarna åt. Lilla Karlsö är kargare och saknar nästan bebyggelse. Ön har en helt egen karaktär med höga klintar med tusentals häckande alkfåglar och en unik flora och fauna.
