С 768 г. Карл правил совместно с братом Карломаном76871, после 771 г. он стал единодержавным властителем франков.

Почти все годы своего правления Карл Великий провел в военных походах. Каждую весну он объявлял военный сбор вассалов и затем несколько месяцев вел непрерывные битвы с врагом. Войны следовали одна за другой; очень часто военная кампания прерывалась из-за появления нового противника. Талант Карла — полководца историки сравнивают с дарованием Александра Македонского и Цезаря: столь победоносно и твердо умел он разрешать все встававшие перед ним военные задачи.

В 774 г. Карл предпринял поход в Италию, продолжая политику своих предшественников и защищая интересы папы. Он завоевал королевство лангобардов, король которого Дезидерий был лишен престола и пострижен в монахи.

775 год Карл посвятил борьбе с саксами, последними из германцев, которые оставались язычниками и не подчинялись франкам. Войны в Саксонии велись на протяжении 30 лет; только постоянное присутствие войск, строительство пограничных крепостей, насильственная христианизация и казни тысяч заложников сдерживали сопротивление саксов.

В 778 г. Карл совершил поход в Испанию, захваченную в то время арабами. После безуспешной осады Сарагосы, он получил известие о восстании саксов и вынужден был прервать поход. На обратном пути при проходе через Ронсевальское ущелье арьегард армии Карла попал в засаду, устроенную басками. В этой битве погиб бретонский граф Хруотланд, ставший прообразом знаменитого героя «Песни о Роланде», созданной 300 лет спустя. Несмотря на неудачный поход в Испанию, Карл не оставил планов завоевания земель к югу от Пиренеев. В 801 г. он захватил Барселону и основал на северо-востоке Испании пограничную территорию — Барселонскую марку.

В 788 г. Карл окончательно присоединил к своему королевству Баварию. На сейме в Ингельгейме он обвинил герцога Тассилона в измене и ликвидировал в Баварии герцогскую власть; влияние Карла распространилось также на соседние южнославянские области Каринтию (Хорутанию) и Крайну. На границах своего государства, которые продвинулись к юго-востоку, Карл столкнулся с набегами кочевников — аваров, образовавших в Паннонии свое государство — Аварский коганат. В 796 г. франки под предводительством юного сына Карла Пипина в союзе с хорутанским князем Войномиром нанесли аварам сокрушительное поражение: большая часть их племен была истреблена и аварская держава распалась.

В результате войн Карла Великого территория государства франков выросла почти в два раза. Его границы простирались от р. Эбро в Испании до р. Эльбы, Богемских гор и Венского леса на востоке. В зависимости от власти Карла находилось Беневентское герцогство на юге Италии, Корсика, Сардиния и Балеарские острова. Таким образом почти весь западный христианский мир оказался объединенным в пределах государства Карла Великого.

На Рождество 800 г. в Риме в храме св. Петра папа Римский Лев III возложил на голову Карлу корону и провозгласил его императором. На монетах рядом с изображением Карла стала чеканиться надпись «Карл Император Август» («Carolus Imperator Augustus»). От латинской формы его имени Carolus впоследствии возникло слово «король».

Карл Великий потребовал от всей высшей знати присяги на верность императору, а от каждого мужчины в стране — избрания себе сеньора, которому он отныне будет верен и под чьим началом будет нести воинскую службу. Таким образом, отношения вассалитета связали все франкское общество в единое целое. Карл разделил государство на графства, которых насчитывалось около 200, и поставил во главе этих областей графов, наделенных военной, судебной и финансовой властью. Особый круг «государевых посланцев» должен был разъезжать по графствам и наблюдать за их действиями. Императору принадлежала верховная судебная власть, он имел право назначать и смещать церковных иерархов и высших должностных лиц, а также издавать указы — капитулярии, касавшиеся различных сторон жизни империи.

Столицей империи Карла Великого стал город Ахен. Свою любимую резиденцию он украсил дворцом и восьмигранной капеллой, для отделки которой из Рима и Равенны были привезены мраморные колонны, скульптуры и архитектурные детали. Однако Карл не жил в Ахене постоянно. Вместе со своим двором он все время разъезжал по стране, что было вызвано не только необходимостью контролировать положение дел в разных частях обширной империи, но и трудностями содержания огромной свиты императора за счет населения одной области. Вместе с Карлом путешествовали его незамужние дочери, друзья, приближенные и даже слон Абу-ль-Аббас, подарок арабского халифа Харуна ар-Рашида.

Современник и придворный историк Карла Эйнхард составил на латинском языке биографию императора. По словам Эйнхарда, Карл был прост в обращении с людьми, предан друзьям, искренне привязан к своему многочисленному семейству. В обычные дни он одевался как простой франкский воин; его костюм украшали лишь медные браслеты и серебряные ножны меча. Карл любил охоту и пиры, но не терпел пьянства и во время еды слушал музыку или чтение, его занимали подвиги древних и сочинение Августина «О Граде Божьем». Карл обладал красноречием и свободно изъяснялся по-латыни; ратные труды оставляли ему мало времени для занятий, поэтому император постоянно держал под подушкой дощечки для письма, чтобы в часы отдыха учиться писать, «но труд его, слишком поздно начатый, не увенчался успехом».

Забота о просвещении была важной стороной внутренней политики Карла Великого. Империи требовались грамотные люди, поэтому специальные капитулярии предписывали открывать при каждом монастыре и епископской кафедре школы, сначала для клира, а впоследствии и для детей мирян. При дворе Карла Великого была организована особая школа, где учились люди, призванные управлять государством. Для преподавания в ней Карл приглашал ученых со всей Европы. Из Италии прибыли Петр, диакон Пизанский, составивший учебник грамматики, посвященный самому Карлу, богослов Паулин Аквилейский и выдающийся историк лангобардов Павел Диакон. Гот Теодульф, епископ Орлеана, прославился при дворе Карла как дипломат, администратор и выдающийся поэт. Ирландскую ученость представляли в кругу Карла Великого монахи Дунгал и Дикуил, автор географического трактата. Центром Придворной Академии Карла стал англо-сакс Алкуин, составивший программу обучения (латынь, семь свободных искусств, богословие), которая стала основой преподавания в университетах средневековой Европы. Диалогическая форма учебника Алкуина как бы отражает реальную практику его уроков.

Придворная Академия Карла Великого была одновременно собранием друзей и ученым сообществом, где на пиру в свободной беседе обсуждались философские вопросы, отгадывались загадки-аллегории и читались латинские стихи. Алкуин называл двор Карла «новыми Афинами», а историки последующих времен дали его эпохе название «Каролингское возрождение».

По велению Карла в Туре, Меде, Реймсе, Сен-Дени и Корби создавались библиотеки и скриптории, где был выработан новый стиль письма — ясный и изысканный каролингский минускул, и создавались школы миниатюристов. Без преувеличения можно сказать, что труды монахов-переписчиков этих скрипториев сохранили нам основные тексты античных авторов.

В сентябре 813 г. Карл Великий в Ахене своими руками возложил императорскую корону на голову своему сыну Людовику, а в начале 814 г. он скончался и был похоронен в Ахенском соборе, став героем многих легенд и сказаний Средневековья.