Szeroki zakres działań Karola Wielkiego w ciągu pierwszych 30 lat jego panowania stanowił preludium do tego, co niektórzy współcześni i wielu późniejszych obserwatorów postrzegało jako kulminacyjne wydarzenie jego panowania: jego koronację na cesarza rzymskiego. Wydarzenie to było w znacznej mierze konsekwencją idei ukształtowanej przez interpretację działań Karola Wielkiego jako władcy. Z biegiem lat niektórzy z głównych doradców politycznych, religijnych i kulturalnych króla nabrali przekonania, że pod egidą króla i ludu Franków kształtuje się nowa wspólnota, którą, jak powiedział jeden z papieży, „pobłogosławił Pan, Bóg Izraela”. Mówili o tej wspólnocie jako o imperium Christianum, obejmującym wszystkich, którzy wyznawali ortodoksyjną wiarę głoszoną przez kościół rzymski. Wspólnota ta akceptowała panowanie monarchy, którego coraz częściej okrzyknięto „nowym Dawidem” i „nowym Konstantynem”, strażnikiem chrystianizmu i wykonawcą woli Bożej. Troskę o dobro imperium Christianum wzmagała świadomość, że heretyccy cesarze w Konstantynopolu nie byli w stanie sprawować władzy nad wspólnotą chrześcijańską – zwłaszcza po tym, jak w 797 r. cesarzem wschodnim została kobieta, Irena. W szerszym sensie rozwój wydarzeń w VIII w. spowodował, że w świecie karolińskim zaczęto postrzegać łaciński Zachód i grecki Wschód jako rozbieżności, które zaprzeczały uniwersalistycznym roszczeniom wschodnich cesarzy.
W 799 r. pojawiło się jeszcze większe zagrożenie dla dobrego samopoczucia imperium Christianum. Zdolność papieża do przewodzenia ludowi Bożemu stanęła pod znakiem zapytania, gdy papież Leon III został fizycznie zaatakowany przez frakcję Rzymian, w tym wysokich funkcjonariuszy kurii papieskiej, którzy uważali, że jest on winny tyranii i poważnych uchybień osobistych. Leon uciekł na dwór swego protektora, którego rola jako rektora Chrześcijaństwa została teraz dramatycznie ujawniona. Karol Wielki zapewnił eskortę, która przywróciła Leona III na urząd papieski; następnie, po długich konsultacjach we Francji, udał się do Rzymu pod koniec 800 r., by zmierzyć się z delikatną kwestią osądzenia wikariusza św. Piotra i przywrócenia porządku w państwach papieskich. Po serii narad z frankijskimi i rzymskimi notablami duchownymi i świeckimi ustalono, że zamiast osądzenia papież złoży publicznie przysięgę oczyszczającą go ze stawianych mu zarzutów; pewne wskazówki w zapisach sugerują, że narady te doprowadziły również do decyzji o ponownym określeniu pozycji Karola Wielkiego. Dwa dni po akcie oczyszczenia dokonanym przez Leona, gdy Karol Wielki uczestniczył we mszy w dzień Bożego Narodzenia w bazylice św. Piotra, papież włożył mu na głowę koronę, a zgromadzeni na nabożeństwie Rzymianie ogłosili go „cesarzem Rzymian”.”
Historycy długo debatowali, gdzie należy umieścić odpowiedzialność za to dramatyczne wydarzenie. Mimo twierdzenia Einharda, nadwornego biografa Karola Wielkiego, że król nie udałby się tego pamiętnego dnia do św. Piotra, gdyby wiedział, co się wydarzy, dowody nie pozostawiają wątpliwości, że król i papież współpracowali przy planowaniu koronacji: przywrócenie Cesarstwa Rzymskiego na Zachodzie było korzystne dla obu. Biorąc pod uwagę słabą pozycję papieża w tym momencie i zamiłowanie króla do odważnych działań, wydaje się bardzo prawdopodobne, że Karol Wielki i jego doradcy podjęli kluczową decyzję dotyczącą nowego tytułu dla króla, pozostawiając papieżowi zorganizowanie ceremonii, która miała sformalizować tę decyzję. Nowy tytuł dawał Karolowi Wielkiemu niezbędną władzę prawną do sądzenia i karania tych, którzy spiskowali przeciwko papieżowi. Zapewniał także odpowiednie uznanie jego roli jako władcy imperium złożonego z różnych ludów i strażnika ortodoksyjnego chrześcijaństwa, a także dawał mu równy status z jego skażonymi rywalami w Konstantynopolu. Po raz kolejny sankcjonując tytuł dla Karolingów, papież wzmocnił więzi ze swoim protektorem i dodał blasku urzędowi papieskiemu dzięki roli, jaką odegrał w nadaniu korony cesarskiej „nowemu Konstantynowi”.”
Co do oceny lat panowania Karola Wielkiego jako cesarza, historycy nie są w pełni zgodni. Niektórzy postrzegają ten okres jako czas rodzącego się kryzysu, w którym działania starzejącego się cesarza były coraz bardziej ograniczone. Ponieważ Karol Wielki nie prowadził już udanych przedsięwzięć militarnych, zmniejszyły się środki, którymi mógł nagradzać królewskich zwolenników. W tym samym czasie królestwu zaczęli zagrażać nowi wrogowie zewnętrzni, zwłaszcza nadmorscy wikingowie i Saraceni. Pojawiły się też oznaki strukturalnego niedostosowania systemu rządów, który stale przyjmował na siebie nowe obowiązki bez współmiernego wzrostu zasobów ludzkich i materialnych, a także rosnący opór wobec królewskiej kontroli ze strony świeckich i kościelnych możnowładców, którzy zaczęli dostrzegać polityczną, społeczną i gospodarczą siłę, jaką można było uzyskać dzięki królewskim nadaniom ziemi i immunitetom. Inni historycy podkreślają jednak takie rzeczy, jak zwiększona troska królewska o bezbronnych, ciągłe wysiłki na rzecz wzmocnienia administracji królewskiej, aktywna dyplomacja, utrzymanie reformy religijnej i wspieranie odnowy kulturalnej, a wszystko to postrzegają jako dowód witalności w ostatnich latach panowania Karola Wielkiego.
W tym szerszym kontekście miały miejsce wydarzenia, które sugerują, że tytuł cesarski niewiele znaczył dla jego odbiorcy. Rzeczywiście, w 802 r., kiedy po raz pierwszy formalnie użył enigmatycznego tytułu „Cesarza Rządzącego Imperium Rzymskim”, zachował swój stary tytuł „Króla Franków i Lombardów”. Nadal żył w tradycyjny sposób frankijski, odżegnując się od sposobów postępowania i protokołu kojarzonych z godnością cesarską. W mniejszym stopniu polegał na radach kręgu, który ukształtował ideologię prowadzącą do odrodzenia Imperium Rzymskiego. W istocie cesarz wydawał się nieświadomy idei zjednoczonej jednostki politycznej zawartej w tytule cesarskim, gdy w 806 r. zadekretował, że po jego śmierci królestwo zostanie podzielone między jego trzech synów.
Inne dowody wskazują jednak, że tytuł cesarski był dla niego ważny. Karol Wielki zaangażował się w długą kampanię wojskową i dyplomatyczną, która w końcu, w 812 r., doprowadziła do uznania jego tytułu przez cesarza wschodniego. Po roku 800 jego program reform religijnych kładł nacisk na zmiany w zachowaniu, które sugerowały, że przynależność do imperium Christianum wymaga nowych sposobów publicznego postępowania. Starał się wprowadzić większą jednolitość do różnych systemów prawnych panujących w jego imperium. Terminologia i symbole używane przez dwór do określania swojej polityki oraz motywy artystyczne zastosowane w kompleksie budynków w Akwizgranie odzwierciedlały świadomość, że urząd cesarski jest źródłem elementów ideologicznych, które mogą wzmocnić autorytet władcy. W 813 r. Karol Wielki zapewnił utrwalenie tytułu cesarskiego, przekazując własnoręcznie koronę cesarską swojemu jedynemu żyjącemu synowi, Ludwikowi Pobożnemu. Koronacja z 813 r. sugeruje, że Karol Wielki wierzył, iż urząd ten ma pewną wartość, i że chciał wykluczyć papiestwo z udziału w jego nadaniu. Całość materiału dowodowego prowadzi do wniosku, że Karol Wielki postrzegał tytuł cesarski jako osobiste wyróżnienie w uznaniu jego zasług dla chrześcijaństwa, które miało być wykorzystane w sposób, jaki uważał za stosowny, aby zwiększyć zdolność jego i jego następców do kierowania imperium Christianum do wyznaczonego przez Boga celu.