Luego de tres años de intrigas y rivalidades, en que cada hermano buscó alianzas con el duque de Baviera, la monarquía lombarda y el Papado para debilitar la posición del otro, la prematura muerte de Carlomán permitió a Carlomagno restablecer la unidad territorial del reino franco (771).

En el año 773, el rey lombardo Desiderio entró en Roma y sometió al papa Adriano I, quien hubo de pedir ayuda a Carlomagno. Éste, viendo la posibilidad de intervenir en Italia, no dudó en acudir en auxilio del pontífice, y al año siguiente derrotó a Desiderio en Pavía, victoria que le permitió proclamarse rey de los lombardos y recibir del Papa el título de patricio o protector de la Iglesia.

Mucho más dura resultó la conquista de Sajonia, entre el bajo Rin y el Elba, ya que durante más de treinta años, del 772 al 804, los sajones, encabezados por el noble Widukind, opusieron tenaz resistencia tanto a la dominación franca como a la penetración del cristianismo. Tan sólo una veintena de campañas militares y la aplicación de métodos muy violentos como las ejecuciones, las deportaciones y las conversiones forzosas en masa permitieron a Carlomagno someter y cristianizar a los sajones, no sin antes haber sufrido serios reveses.

No obstante, en los Pirineos, en el paso de Roncesvalles, tras intentar tomar Zaragoza y devastar Pamplona, fue donde el ejército franco sufrió su derrota más humillante, al ser aniquilada su retaguardia por vascos y gascones, acción en que perdieron la vida diversos notables de la corte, como el duque Rolando (778); la batalla daría origen al célebre cantar de gesta conocido como la Chanson de Roland.

Este desastre convenció a Carlomagno de la necesidad de establecer una marca (zona fronteriza fortificada) frente a los musulmanes, deseo que se concretó en la creación de la Marca Hispánica en el nordeste de la península Ibérica, una vez conquistadas las ciudades de Gerona (785) y Barcelona (801). Paralelamente, en Europa septentrional, Carlomagno sometió a los frisones (785), mientras que, en el este, incorporó Baviera y Carintia (788) e instituyó una especie de protectorado sobre los ávaros en la Panonia superior (805).

El día de Navidad del año 800, de nuevo Carlomagno en Roma para restablecer al Papa en sus funciones, perturbadas por desordenes locales, León III lo coronó emperador, título que le confería un rango superior al resto de monarcas cristianos. La pretensión de restablecer el Imperio de Occidente, sin embargo, provocó el recelo de Bizancio y una guerra con los griegos por el dominio de Venecia y Dalmacia, conflicto que finalizó con la aceptación de la dignidad imperial del rey franco por parte del emperador bizantino Miguel I (812).

Gran protector de las letras y de las artes, Carlomagno fue, además, el promotor del llamado renacimiento carolingio, un movimiento intelectual y literario surgido en la corte imperial e impulsado por sabios como Alcuino de York, Eguinardo, Pablo Diácono, Pablo de Pisa y Teodulfo, que promovió una profunda renovación cultural en el Occidente europeo. A su muerte, acaecida en Aquisgrán el 28 de enero del 814, el Imperio Carolingio pasó a manos de su hijo Ludovico Pío y entró en una lenta pero irreversible decadencia.