Осенью 800 г. Карл отправился в Рим и провел здесь почти полгода, разбирая распри между папой Львом III и местной знатью. 25 декабря он слушал праздничную мессу в соборе святого Петра. Вдруг папа приблизился к своему гостю и возложил ему на голову императорскую корону. Все находившиеся в соборе франки и римляне дружно воскликнули: «Да здравствует и побеждает Карл Август, Богом венчанный великий и миротворящий римский император». Хотя все это не стало для Карла неожиданностью, он, по свидетельству Эйнгарда, первое время делал вид, что недоволен «самовольным» поступком папы. Карл утверждал даже, что, знай он заранее о намерениях Льва 111, он бы в тот день не пошел в церковь, не взирая на Рождество. Делал он это, как видно, для того, чтобы успокоить Константинопольский двор. Ненависть ромейских императоров, тотчас возникшую, Карл, впрочем, перенес с великим терпением. В конце концов византийским императорам пришлось признать новый титул владыки франков.
В 804 г. был положен конец изнурительной саксонской войне. Карл прибыл в Голленштедт и переселил из Нордальбингии 10 тысяч саксонских семей во внутренние области государства. Обезлюдевшая Нордальбингия была передана ободритам. В 808 г. датский король Готфрид в союзе с полабскими славянами напал на ободритов и обложил их данью. Перед уходом он разрушил Рерик. Император отправил против датчан сына Карла. В Нордальбингии, вновь отобранной у ободритов, построили несколько крепостей; тем самым было положено начало Датской приграничной марке. Для отражения норманнских набегов Карл велел строить корабли на реках, которые протекали по Галлии и Северной Германии. Во всех портах и устьях судоходных рек по его приказу были устроены стоянки для судов и выставлены сторожевые корабли, дабы предупредить вторжение неприятеля. Это была последняя большая война при жизни Карла. За сорок лет, прошедшие после принятия им власти, он почти вдвое расширил пределы державы франков.
Незадолго до смерти, в 813 г., Карл призвал к себе Людовика, короля Аквитании, единственного оставшегося в живых своего сына от Гильдегарды, и, созвав торжественное собрание знатных франков всего королевства, назначил его, с общего согласия, своим соправителем и наследником, а затем возложил ему на голову корону и приказал впредь именовать его императором и августом. Вскоре после этого, сраженный сильной лихорадкой, он слег в постель. В начале января к лихорадке присоединился плеврит, и на седьмой день император умер.
