Po śmierci Pepina Krótkiego w roku 768 władzą we frankijskim królestwie podzielili się – zgodnie z obowiązującym zwyczajem, wg którego państwo było dziedziczną własnością rodu panującego (patrymonium) – dwaj synowie zmarłego władcy, Karloman i Karol. Karol został ogłoszony królem w Noyon w dniu 9 listopada 768 roku. W następnym roku poprowadził swoją pierwszą wyprawę wojenną przeciwko zbuntowanym Akwitańczykom pod wodzą księcia Hunolda. Po trzech latach panowania, 4 (lub 5) grudnia 771 zmarł Karloman i Karol objął samodzielne rządy, które trwały przeszło czterdzieści lat.

Niemal cały okres panowania Karola wypełniony był wojnami toczonymi na rubieżach i poza granicami jego państwa. Podczas panowania przeprowadził 54 kampanie wojenne, a w połowie z nich przewodził osobiście. W trakcie walk z zamieszkującymi Półwysep Iberyjski Arabami (m.in. w 778 i 795 roku) oraz Sasami (779-804) zdołał rozszerzyć swe panowanie na obszarze od rzeki Ebro w Hiszpanii aż za Ren. W granicach imperium znalazły się też samodzielna dotąd Bawaria oraz północna i środkowa Italia, dokąd wyruszył na wezwanie papieża. Po złamaniu potęgi Longobardów ogłosił się ich władcą. Zwierzchnictwo Karola uznać musiały również plemiona słowiańskie znad Łaby i Soławy (w latach 782 i 789). W latach 791-796 wojska Karola rozbiły chanat Awarski, który zagrażał zarówno Frankom, jak i Słowianom.

Monarchia Karola Wielkiego obejmowała pod koniec jego panowania obszar liczący ponad milion km². W szczytowym okresie rozwoju imperium Karola Wielkiego obejmowało tereny dzisiejszych:

• Francji (bez Bretanii)
• Belgii
• Holandii
• Austrii
• Szwajcarii
• zachodnich Niemiec
• północnych Włoch
• Korsyki
• oraz północno-wschodnią część Hiszpanii i Baleary.

Administracja w tak ogromnym państwie była niezwykle trudna. Utrzymany został funkcjonujący jeszcze za Merowingów podział na ziemie oraz powiaty, ale obok niego wprowadzono hrabstwa jako mniejsze jednostki terytorialnego zarządu, które podlegały urzędnikom mianowanym i odwoływanym przez władcę. Na kresach monarchii zorganizowano marchie, na czele których stanęli margrabiowie o szerokich kompetencjach wojskowych. Marchie te (Duńska, Friulska, Hiszpańska, Bretońska, Panońska) – były zaporą militarną blokującą ludom pogańskim i muzułmanom wstęp na ziemie państwa karolińskiego.

Karol Wielki i papież Hadrian I

Sukcesy militarne uczyniły z Karola najpotężniejszego władcę Europy Zachodniej. Zbudowane przez niego imperium, zamieszkane przez ludność romańską i germańską, zróżnicowane pod względem gospodarczym i społecznym, było w praktyce zlepkiem wielu podbitych plemion i ziem, w których nie wygasły ani poczucie odrębności, ani tęsknota za samodzielnością. Świadomy tego władca próbował zunifikować imperium, wprowadzając m.in. jednolite prawo frankijskie, nowy podział administracyjny, czy zreformowany system monetarny oparty na srebrnym denarze. Najtrwalszym fundamentem jedności była jednak silna władza monarchy oraz wspólnota wiary i kultury chrześcijańskiej.

Podboje swe argumentował chęcią rozprzestrzeniania wiary. Jednak były to działania wielce brutalne. Podczas wojen saskich w 799/800 roku kazał ściąć 4500 jeńców saskich za bunt ich rodaków przeciwko niemu.

Podpis Karola Wielkiego

Pod energicznymi rządami Karola państwo frankijskie nabrało wszelkich cech mocarstwa. Do pełni szczęścia brakowało Karolowi jedynie tytułu cesarskiego. Otrzymał go w Boże Narodzenie 800 roku w Rzymie z rąk papieża Leona III. Był to cios dla Bizancjum, którego władcy wciąż pozostawali, przynajmniej w teorii, cesarzami rzymskimi. Nic też dziwnego, że dopiero po dwunastu latach Konstantynopol uznał tytuł cesarski Karola. Nie doszło też do wskrzeszenia cesarstwa uniwersalnego, obejmującego zarówno Zachód, jak i Wschód, do czego doprowadzić miał planowany ślub Karola z bizantyjską cesarzową Ireną. Ostateczny podział chrześcijańskiego świata na dwa niezależne od siebie ośrodki władzy stał się faktem. Centrum odnowionego cesarstwa zachodniego mieściło się teraz nie w Rzymie, lecz w ulubionym mieście Karola, Akwizgranie, przez co odcięło się ono politycznie od antycznej przeszłości, nabierając charakteru europejskiego.

Wbrew swojej potędze, Karol Wielki, pomimo licznych namów, utrzymywał iż nie chce zostać cesarzem. Wykazywał tu postawę podobną Oktawianowi Augustowi – chciał pokazać swą skromność. Do jego koronacji doszło niespodziewanie i bez jego wiedzy. Papież, podczas pobytu w kościele (obchodów Świąt), po prostu nałożył mu na głowę diadem cesarski, złożył hołd, a lud zaczął wiwatować. Gdyby Karol wiedział, co się wydarzy, pomimo tak ważnego święta, na pewno nie przyszedłby do świątyni.

W okresie rządów Karola Wielkiego podział świata na rzymski oraz barbarzyński został zastąpiony podziałem na świat chrześcijański (cywilizowany) i pogański (barbarzyński). Cały chrześcijański Zachód czuł się oblegany i nieustannie nękany przez rozmaitych pogańskich wrogów. Zagrożenie to pomogło mieszkańcom państwa karolińskiego w wyrobieniu poczucia własnej tożsamości. To właśnie w tym czasie na kartach jednej z kronik, relacjonujących walki Karola z Arabami, mieszkańców monarchii karolińskiej nazwano Europenses (Europejczycy).

Karol Wielki został pochowany w Akwizgranie. Jego imperium rozpadło się wkrótce po jego śmierci w IX wieku (zobacz: traktat z Verdun).

W opinii historyków Karol Wielki uznawany jest za władcę wybitnego. W średniowieczu stanowił wzór władcy idealnego, rycerza i gospodarza. Był świetnym politykiem i wodzem oraz mecenasem nauki i kultury. Sprowadził na swój dwór wielu wybitnych uczonych, między innymi Alkuina z Yorku i Einharda. Już współcześni w uznaniu zasług nadali mu przydomek Wielki (choć wg innych opinii, przydomek ten ma źródło w ogromnym, jak na owe czasy, wzroście władcy – 192 cm), zaś w językach słowiańskich jego imię stało się synonimem godności królewskiej.

Jego rozumienie władzy królewskiej i powinności władcy w stosunku do Kościoła spowodowało znaczne zacieśnienie więzów łączących państwo i Kościół. Karol Wielki za swój obowiązek uważał walkę z poganami i niewiernymi, a także umacnianie wiary chrześcijańskiej. W 1165 roku, za aprobatą antypapieża Paschalisa III, cesarz Fryderyk Barbarossa dokonał uroczystej elewacji szczątków Karola Wielkiego (zostały odnalezione w Akwizgranie i przeniesione do ołtarza głównego). Późniejsi papieże w tej kwestii zachowywali milczenie, które jako przejaw tolerancji dla kultu Karola Wielkiego traktowali m.in. Baroniusz i papież Benedykt XIV.

Jeszcze do niedawna toczono spory mające ustalić, jakiej Karol Wielki był narodowości: francuskiej czy niemieckiej.