Папа нуждался в поддержке короля и в самом Риме. Здесь всегда существовала сильная антипапская группировка из представителей аристократии. Поэтому Лев III, ставший понтификом в 795 г., немедленно отправил франкскому королю протокол выборов, ключи от «гроба апостола Петра» и знамя города Рима. Вместе с тем он просил Карла прислать в Вечный город своего представителя, для того чтобы тот принял присягу на верность у римлян, что было очевидным признанием суверенитета франкского короля над Римом. Это еще более ожесточило местную феодальную оппозицию. В 799 г. ее члены напали на Льва и избили его. Папа бросился просить защиты у Карла в Падерборн. Вслед за ним при дворе франкского короля появились и противники Льва, утверждавшие, что новый папа замешан в уголовных преступлениях. Карл счел возможным направить в Рим следственную комиссию, которая подтвердила незавидный моральный облик «наместника Бога на земле». Чтобы как-то защитить лояльного к нему папу, сам король осенью 800 г. отправился в Рим и провел там полгода.

Лев перед Карлом поклялся на Евангелии, что обвинения, выдвинутые против него, клевета. Таким образом, на римском престоле находился уже человек униженный и полностью зависимый от короля. Но оказалось, что и сам понтифик был способен к неожиданным ходам. 25 декабря 800 г. во время богослужения в базилике Св. Петра Лев III неожиданно для присутствующих возложил на голову своего светского покровителя императорскую корону. Все находившиеся в соборе франки и римляне дружно воскликнули: «Да здравствует и побеждает Карл Август, Богом венчанный великий и миротворящий римский император». До сих пор не вполне ясно, был ли готов к этой процедуре сам Карл Великий. По крайней мере, биограф свидетельствует, что король был очень раздражен, говорил, что если бы знал заранее о коронации, остался бы дома и не пошел бы в церковь. В результате проведенной церемонии Карл I стал именоваться императором, и корону свою он получил из рук Папы Римского, подтвердившего свои претензии на верховенство в христианском мире. Власть Льва, в свою очередь, теперь была получена из рук человека с освященным традицией титулом.

Получение императорского титула обернулось для Карла новой войной. Византийцы не хотели признавать его императором, в связи с чем и началась довольно длительная кампания. После ряда дипломатических демаршей и сорванной попытки жениться на ищущей, как и он, компромисса Ирине, западный император провел ряд военных операций в Северной Адриатике, на границе между империями. Он потерпел поражение от сильного греческого флота, но военное превосходство на суше позволило Карлу захватить Фриуль, Крайну и Венецию. Лишь в 814 г. было заключено мирное соглашение. Франки возвращали Венецию, сохраняя за собой другие завоевания в Северной Адриатике, а василевс признавал за Карлом титул императора.

Империя Карла Великого не только увеличилась территориально, но и пережила при нем расцвет в том, что касается внутреннего устройства, культуры и т. д. Карл был сторонником сильного государства и сделал многое, для того чтобы дисциплинировать чиновников, погасить сепаратизм, укрепить власть центра.

Территория империи была разделена на округа, во главе которых монарх назначал графов из местной знати, они сосредоточивали в своих руках административную, военную и судебную власть. При этом на места постоянно направлялись для решения разных вопросов и контроля над местной властью специальные государевы посланцы, которые боролись с произволом и злоупотреблениями местных графов и епископов. В приграничных районах были образованы марки во главе с маркграфами, лично преданными Карлу. Высшая знать страны, связанная с Карлом ленной присягой, обязана была являться на войну с подвластными им людьми. С 789 г. Карл неоднократно издавал указы, предписывавшие каждому свободному человеку найти себе сеньора, под началом которого он должен служить. Таким образом, в стране развивались феодальные отношения.