FBK Karlstad avgjorde matchen i andra halvlek, efter en mållös första.
Hemmalagets mål gjordes av Fredrik Johansson och William Videhult, medan bortalagets mål noterades på Armin Fathi, Mikael Harbosen Haga och Ludvig Steen.
Det här var Piteås sjätte uddamålsförlust den här säsongen.
Piteå ligger på 15:e plats i tabellen efter matchen, medan FBK Karlstad är på tolfte plats.
Nästa motstånd för Piteå är Täby FK. Lagen möts söndag 13 oktober 16.00 på Tibblevallen.