La prodigiosa gama de actividades de Carlomagno durante los primeros 30 años de su reinado fue el preludio de lo que algunos contemporáneos y muchos observadores posteriores consideraron el acontecimiento culminante de su reinado: su coronación como emperador romano. En gran parte, ese acontecimiento fue consecuencia de una idea formada por la interpretación dada a las acciones de Carlomagno como gobernante. Con el paso de los años, algunos de los principales consejeros políticos, religiosos y culturales del rey se convencieron de que se estaba formando una nueva comunidad bajo la égida del rey y del pueblo franco, al que, como declaró un papa, «el Señor Dios de Israel ha bendecido». Hablaban de esa comunidad como el imperium Christianum, que comprendía a todos los que se adherían a la fe ortodoxa proclamada por la iglesia romana. Esta comunidad aceptaba el dominio de un monarca cada vez más aclamado como el «nuevo David» y el «nuevo Constantino», guardián de la cristiandad y ejecutor de la voluntad de Dios. La preocupación por el bienestar del imperium Christianum se vio acrecentada por la percepción de que los emperadores heréticos de Constantinopla no eran aptos para reclamar la autoridad sobre la comunidad cristiana, especialmente después de que una mujer, Irene, se convirtiera en emperadora de Oriente en 797. En un sentido más amplio, los acontecimientos del siglo VIII produjeron la percepción en el mundo carolingio de que el Occidente latino y el Oriente griego estaban divergiendo en formas que negaban las pretensiones universalistas de los emperadores orientales.
Después, en el 799, surgió una amenaza aún mayor para el bienestar del imperium Christianum. La capacidad del papa para dirigir al pueblo de Dios quedó en entredicho cuando el papa León III fue atacado físicamente por una facción de romanos, entre los que se encontraban altos funcionarios de la curia papal, que creían que era culpable de tiranía y de graves faltas personales. León huyó a la corte de su protector, cuyo papel como rector de la cristiandad quedaba ahora dramáticamente revelado. Carlomagno proporcionó una escolta que restituyó a León III en el cargo papal; luego, tras una amplia consulta en Francia, se dirigió a Roma a finales del año 800 para afrontar la delicada cuestión de juzgar al vicario de San Pedro y restablecer el orden en los Estados Pontificios. Tras una serie de deliberaciones con notables clérigos y laicos francos y romanos, se acordó que, en lugar de ser juzgado, el papa prestaría públicamente un juramento en el que se purgaría de los cargos que se le imputaban; algunos indicios en el registro sugieren que estas deliberaciones también condujeron a la decisión de redefinir la posición de Carlomagno. Dos días después del acto de purgación de León, mientras Carlomagno asistía a la misa del día de Navidad en la basílica de San Pedro, el papa le colocó una corona en la cabeza, mientras los romanos reunidos para el culto le proclamaban «emperador de los romanos.»
Los historiadores han debatido durante mucho tiempo dónde debe situarse la responsabilidad de este dramático acontecimiento. A pesar de la afirmación de Einhard, biógrafo de la corte de Carlomagno, de que el rey no habría acudido a San Pedro en aquel fatídico día si hubiera sabido lo que iba a ocurrir, las pruebas dejan pocas dudas de que rey y papa colaboraron en la planificación de la coronación: la restauración del Imperio Romano en Occidente era ventajosa para ambos. Dada la débil posición del Papa en ese momento y la inclinación del rey por las acciones audaces, parece muy probable que Carlomagno y sus consejeros tomaran la decisión clave que implicaba un nuevo título para el rey, dejando en manos del Papa la organización de la ceremonia que formalizaría la decisión. El nuevo título otorgaba a Carlomagno la autoridad legal necesaria para juzgar y castigar a los que habían conspirado contra el Papa. También suponía un reconocimiento adecuado de su papel como gobernante de un imperio de pueblos diversos y como guardián de la cristiandad ortodoxa, y le otorgaba un estatus igual al de sus rivales manchados en Constantinopla. Al sancionar una vez más un título para los carolingios, el papa reforzó sus lazos con su protector y añadió lustre al cargo papal en virtud de su papel en la concesión de la corona imperial al «nuevo Constantino».»
Sobre la evaluación de los años de Carlomagno como emperador, los historiadores no están totalmente de acuerdo. Algunos han visto el período como una crisis emergente, en la que las actividades del envejecido emperador se vieron cada vez más limitadas. Dado que Carlomagno ya no dirigía exitosas empresas militares, los recursos con los que recompensar a los seguidores reales disminuían. Al mismo tiempo, aparecieron nuevos enemigos externos que amenazaban el reino, especialmente los hombres del norte (vikingos) y los sarracenos. También hubo signos de insuficiencia estructural en el sistema de gobierno, que constantemente asumía nuevas responsabilidades sin un aumento proporcional de los recursos humanos o materiales, y una creciente resistencia al control real por parte de los magnates laicos y eclesiásticos que comenzaron a captar el poder político, social y económico que se derivaba de las concesiones reales de tierras e inmunidades. Otros historiadores, sin embargo, han destacado aspectos como el aumento de la preocupación real por los desamparados, los continuos esfuerzos por fortalecer la administración real, la diplomacia activa, el mantenimiento de la reforma religiosa y el apoyo a la renovación cultural, todo lo cual consideran una prueba de la vitalidad durante los últimos años de Carlomagno.
En este contexto más amplio hubo acontecimientos que sugieren que el título imperial significaba poco para su destinatario. De hecho, en 802, cuando utilizó formalmente por primera vez el enigmático título de «Emperador que gobierna el Imperio Romano», conservó su antiguo título de «Rey de los Francos y de los Lombardos». Siguió viviendo a la manera tradicional de los francos, evitando los modos de conducta y protocolo asociados a la dignidad imperial. Confiaba menos en los consejos del círculo que había dado forma a la ideología que condujo al renacimiento del Imperio Romano. De hecho, el emperador parecía ajeno a la idea de una entidad política unificada implícita en el título imperial cuando, en 806, decretó que a su muerte su reino se dividiría entre sus tres hijos.
Otras pruebas, sin embargo, indican que el título imperial era importante para él. Carlomagno emprendió una larga campaña militar y diplomática que finalmente, en el año 812, obtuvo el reconocimiento de su título por parte del emperador de Oriente. A partir del año 800, su programa de reforma religiosa hizo hincapié en los cambios de comportamiento que implicaban que la pertenencia al imperium Christianum exigía nuevos modos de conducta pública. Intentó dotar de mayor uniformidad a los diversos sistemas jurídicos que imperaban en su imperio. La terminología y los símbolos empleados por la corte para exponer sus políticas y los motivos artísticos empleados en el complejo de edificios de Aquisgrán reflejaban la conciencia del cargo imperial como fuente de elementos ideológicos capaces de apuntalar la autoridad del gobernante. En 813, Carlomagno aseguró la perpetuación del título imperial al otorgar con sus propias manos la corona imperial a su único hijo superviviente, Luis el Piadoso. La coronación de 813 sugiere que Carlomagno creía que el cargo tenía algún valor y que deseaba excluir al papado de cualquier parte en su otorgamiento. En su conjunto, las pruebas llevan a la conclusión de que Carlomagno consideraba el título imperial como un premio personal en reconocimiento de sus servicios a la cristiandad, que debía utilizarse como él considerara oportuno para mejorar su capacidad y la de sus herederos para dirigir el imperium Christianum a su fin divinamente ordenado.