查理曼的加冕为帝是中世纪欧洲历史上的一个重要转折点，标志着法兰克王国正式成为查理曼帝国，查理曼本人也成为“罗马人的皇帝”，这一称号赋予了他新的政治和宗教权威。
795年，利奥三世以阴谋手段登上教皇宝座，遭到罗马一些大贵族的反对。利奥三世派使者向查理曼求救，并把彼得大殿的钥匙和罗马城的旗帜呈献给查理曼，以示臣服与忠诚。查理曼支持利奥三世，帮助他保住了教皇的地位。799年4月，罗马贵族以利奥三世生活放荡、品行不端为借口发动政变，将其囚禁。利奥三世侥幸逃离，直奔萨克森前线，向查理曼求援。当时，查理曼正忙于与萨克森人的激战，暂时无暇抽身。在战争稍有转机后，查理曼立即在800年夏季亲自率军南下，逼迫罗马贵族释放利奥三世。
11月，感恩戴德的利奥三世亲自出迎数十里，把查理曼接入罗马城。12月25日圣诞节，查理曼正在圣彼得大教堂的长方形大厅中进行弥撒，利奥三世突然把一顶皇冠戴在查理曼的头上，宣布他为“罗马人的皇帝”。这一加冕仪式具有深远的意义，意味着查理曼成为古罗马帝国的继承人和基督教世界的保护者，被视为奥古斯都·凯撒的合法继承人。从此，教廷与王廷对西欧形成了教俗双重统治的体制。
802年，查理曼在亚琛召开的帝国会议上颁布法令，要求所有封臣，无论是世俗的还是教会的，都要以“恺撒之名”（Nomen Caesaris）重新对他宣誓效忠。这不仅是对查理曼个人权威的认可，也是对帝国中央集权的强化。
然而，查理曼帝国并非真正的罗马帝国，而只是其辉煌的延续。首先，两个帝国所统治的范围大不相同。查理曼帝国在鼎盛时期也大约只有西罗马帝国的一半大。查理曼帝国主要控制了比利时、法国、瑞士和意大利北部，而英国、西班牙、意大利南部和非洲北部——这些地区曾是罗马帝国的一部分——都不在查理曼的控制之下。其次，查理曼从血统、外貌和教养来看都不是罗马人。法兰克人是一个条顿部落，查理曼的母语是一种古日耳曼方言，虽然他学会了讲拉丁语。查理曼一生的大部分时间住在欧洲北部，特别是住在德国。他的帝国首都不是罗马而是亚琛。即使在被加冕为帝之后，查理曼也并未放弃原有的国王头衔，他的头衔全称为“查理·奥古斯都，由上帝加冕之伟大和和平的皇帝，统驭罗马帝国，同时得上帝之恩宠，为法兰克人和伦巴第人之国王”。
查理曼的才能和业绩并不仅限于军事 征 服 。他在行政、司法与军事制度，经济生产管理体制，教会组织规章，文化教育各方面都推行了一系列措施，这些措施在很大程度上奠定了西欧封建社会的发展模式。例如，他颁布了《查理曼法令集》，这是一部涉及各种民事、宗教、公共、国内事务的法令、裁决与指示的汇编，虽然并非真正意义上的法律，但对当时的社会治理产生了深远影响。
然而，在繁荣之下，帝国本身潜伏着查理曼个人无法克服的危机。庞大的帝国内存在许多部族和部落，他们的文化和社会发展水平各不相同，各地区之间没有统一的经济基础，缺乏必要的经济文化联系。教俗封建领主在帝国扩张过程中，势力变得空前强大，经济上和政治上的统治地位也大为巩固，他们已不再需要强大的王权，反而成为其反对者。查理曼在其统治后期采取了不少措施，与各地封建领主争夺经济和政治上的控制权，但在当时自然经济占绝对优势的社会条件下，中央政权没有维护长期统一的社会经济基础和力量。
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法国学者乔治·杜比主编的《法国史》指出：“在查理曼统治的最后十三年中，帝国已经走向解体之路：陆地边疆模糊不清，海疆受到威胁，对巨大疆域的管理无能为力，而更重要的是国家统一观念的基础并不牢固。”
六、晚年
查理曼在806年预立遗嘱，将帝国平分给三个正统婚生子：查理、丕平（被称为“意大利丕平”）和虔诚者路易（Louis the Pious）。根据他的决定，长子查理获得帝国北部地区及卢瓦尔河以北的所有高卢领土，次子丕平分得巴伐利亚和阿拉曼尼亚，幼子路易分得高卢南部。然而，这项决定因为查理和丕平分别在810年和811年的去世而被打破，最终虔诚者路易单独获得了整个帝国的继承权。
813年，查理曼在亚琛为路易加冕，正式确立了他的继承地位。同年冬天，在极端寒冷的天气下，查理曼坚持外出打猎，结果感染了风寒。据艾因哈德的记载，查理曼死于胸痛和高烧，患上了胸膜炎。最终，查理曼于814年1月28日在亚琛宫中逝世，享年72岁。他被安葬在亚琛大教堂，由其子路易继承帝位。
查理曼的逝世标志着一个时代的结束。尽管路易继承了帝国，但帝国的统一局面并未维持太久。843年，根据《凡尔登和约》（法语：Le traité de Verdun），查理曼的三个孙子各自为王，帝国一分为三：秃头查理（Charles the Bald）统治西法兰克王国，这是法国的雏形；路易（Louis）统治东法兰克王国，这是后来德国的基础；中间的地区则由洛泰尔（Lothair）统治，这部分后来成为意大利的一部分。这一分裂不仅改变了政治格局，还加速了法兰克人语言的分化，形成了法语、德语和其他西欧国家的民族语言。
查理曼逝世半个世纪后，关于他的种种传说开始在西法兰克和东法兰克广泛流传。这些传说使查理曼的形象逐渐神圣化，许多虚构的武功和捏造的神话被归到他的身上。例如，他被称作“萨克森人的使徒”、“耶路撒冷圣城的保卫者”等。这些传说不仅反映了人们对查理曼的崇敬，也体现了当时社会对英雄人物的渴望。
到了12世纪，查理曼的形象进一步神圣化，甚至被一些人视为圣徒。1165年，教皇亚历山大三世根据神圣罗马帝国皇帝腓特烈一世的示意，将查理曼尊称为“欧洲之父”（Pater Europae）。