Den ryske utmanaren valde att inleda det elfte partiet med en italiensk öppning, tog en tidig ledning i den avgörande matchen. Men Carlsen, som spelade svart, vände.
Drag 23, bonde till g3, blev misstaget som fällde Nepomnjasjtjij.
I ett tornslutspel lyckades norrmannen marschera över med sin bonde till motsatt sida och byta den mot en dam. Sedan var det kört för ryssen. Carlsen blev därmed först till 7,5 poäng och än en gång världsmästare. Nepomnjasjtjij slutade på 3,5 poäng.
– Det fanns nog många sätt att vinna, men jag valde den säkraste möjliga vägen, säger Magnus Carlsen till nyhetsbyrån NRK.
– Det är så klart väldigt roligt. En lättnad att få det att hända. Kul att göra det på ett mer övertygande sätt än de tidigare gångerna, fortsätter han.
Carlsen lyckades koppla greppet om sin utmanare i det sjätte partiet, efter fem partier som slutat i remi. Nyckelmatchen blev också den längsta i tävlingens historia, Carlsen vann först efter 7 timmar och 47 minuter.