Segon sobirà de la dinastia carolíngia, a la qual donà nom, era fill, probablement natural legitimat de Pipí I i de Berta o Bertrada, filla de Caribet, comte de Laon, casats després del 749. Heretà del seu pare els països disposats en semicercle des de Bohèmia fins a la meitat occidental dels Pirineus, i el seu germà Carloman els compresos en un semicercle interior des de Suïssa al Pirineu oriental.
En 761-762 participà en la campanya d’Aquitània contra Gaifré, i el 769 derrotà els aquitans d’Hunold. En ésser consagrat rei, el 768, a Noyon, ja tenia dos fills de la franca Amaldruda: Pipí el Geperut i Alpaida, que esdevingué comtessa de Tolosa. Probablement pel Nadal del 770, Carles es casà a Magúncia amb la filla de Desideri, rei dels longobards, per evitar lluites amb el seu germà i amb els longobards. En morir Carloman (771), Carles repudià la seva muller i s’apoderà dels estats dels seus dos nebots, que es refugiaren a la cort de Desideri. Aquest atacà el papa Adrià I perquè refusà coronar els fills del difunt, i Carles, sol·licitat pel papa, acudí a auxiliar-lo. Assetjà Verona i Pavia, on els longobards s’havien retirat en desordre. Verona li obrí tot seguit les portes i hi féu captius la vídua i els fills de Carloman. El setge de Pavia, però, s’allargà i, mentrestant, el rei franc s’arribà a Roma (774) i hi rebé el títol de patrici. De tornada a Pavia, pel juny obtingué la rendició de Desideri, i Carles esdevingué rei dels longobards. En l’endemig s’havia casat amb la franca Hildegarda, de la qual tingué tres fills (Carles, Pipí i Lluís) i tres filles (Rotruda, Berta i Gisela).
El 776 Carles reduí un nucli de resistència longobard al Friül, i el 777 imposà el vassallatge al duc de Benavent Arequís, gendre de Desideri. Sotmesos els longobards, atacà els saxons, que es negaven a pagar un tribut imposat per Pipí el Breu: penetrà el 772 fins a Eresburg i hi establí un fort; després anà més al nord i hi destruí un ídol local: l’Irminsul. Els saxons respongueren atacant el Hesse i incendiant l’església de Fritzlar (773), i els francs, amb llurs incursions punitives (774-775), arribaren fins a Siegburg. Els saxons foren derrotats a Brunsburg, i Carles avançà fins més enllà del Weser, però llur revolta reprengué quan Carles anà a Itàlia. En tornar-ne, els reduí i els imposà el baptisme en massa. El 777, a Paderborn, Carlemany convocà els francs i els saxons; aquests, sotmesos, declararen que si violaven la fe cristiana i la fidelitat al rei perdrien legítimament la independència i la llibertat. Tanmateix, el noble saxó Guitiquind, que no havia volgut comparèixer a Paderborn, atacà els francs i arribà fins a Colònia (778).
Mentrestant, Carlemany, a instàncies de Sulaymān, governador sarraí de Barcelona i Girona, que l’havia anat a trobar a Paderborn, preparava una expedició contra l’emir de Còrdova ‘Abd al’Rahmān I. Sulaymān actuava en nom propi, del governador de Saragossa Hussayn i del d’Osca Abū Taur, i oferia la submissió de tots tres a Carlemany. Aquest s’interessà per l’afer, que li podia permetre la creació d’una zona defensiva entre els Pirineus i l’Ebre i d’un punt de partida per a noves penetracions. En conseqüència, preparà dos exèrcits: un que entrà per Navarra sota el seu comandament personal, i un altre que travessà el Pirineu oriental, probablement pel Portús o Panissars, i s’acostà a Barcelona, on se li havia d’ajuntar Sulaymān. Les dues hosts coincidiren a Saragossa, però Husayn, canviant de parer, no volgué lliurar la ciutat. Fracassades les negociacions i acabant-se ja el bon temps, calgué emprendre la retirada pel camí de Navarra. L’exèrcit franc fou atacat pels fills de Sulaymān, els quals alliberaren llur pare i altres ostatges que eren duts cap a França. En passar per Pamplona, Carlemany en destruí les muralles i potser la saquejà, i prosseguí després la retirada. Els bascs, irritats per les depredacions de Pamplona, i els gascons del duc Llop —sotmesos forçadament a Carlemany el 769— li infligiren una gran desfeta a batalla de Roncesvalls el 15 d’agost de 778. Amb tot, Carlemany, per reprimir l’assalt de Guitiquind, passà el Rin, arribà novament al Weser i dugué a terme una expedició de càstig el 780.
Després de l’acte de submissió dels saxons a Lippspringe (782), els francs avançaren cap a l’est i atacaren la tribu eslava dels sòrabs, però hagueren de recular perquè els saxons s’havien revoltat novament. Els francs foren derrotats al Süntel i es venjaren amb les matances de Verden. Continuà la lluita fins que, el 785, Guitiquind acceptà finalment la submissió i el baptisme i foren imposades als saxons lleis duríssimes. El mateix any els homes de Girona lliuraren llur ciutat als representants de Carlemany, i això portà probablement la frontera amb els sarraïns fins a la Tordera.
Mentrestant, després del fracàs del 778, molts de cristians de la Marca Hispànica, compromesos amb els francs, s’hagueren de refugiar a la Septimània, on Carlemany, des dels voltants del 780, els concedí condicions avantatjoses d’establiment; els més distingits arribaren a ocupar llocs destacats, civils o eclesiàstics. El 781 els seus fills Pipí i Lluís foren consagrats a Roma reis d’Itàlia i d’Aquitània, respectivament. Lluís s’ocupà principalment de la frontera meridional. El 782 Carlemany, des de Roma, invità el duc Tassiló de Baviera a prestar-li jurament; aquest acceptà, però sovintejaren les topades entre francs i bàvars, fins que el 787 els francs envaïren Baviera i sotmeteren el duc, que, tanmateix, tornà a revoltar-se (788), i, sotmès de nou, fou condemnat a mort, però més tard fou indultat i internat en un monestir. Baviera i Caríntia foren llavors incorporades al regne franc.
A la frontera amb els sarraïns s’havia anat produint, mentrestant, una lenta penetració. La Seu d’Urgell havia passat al domini carolingi poc abans del 789. Per aquest temps un comte, sens dubte indígena, Borrell, governà en nom del rei franc els comtats de Cerdanya i d’Urgell. Aleshores (793) es produí una reacció musulmana: una poderosa incursió dirigida per ‘Abad al-Malik no pogué reprendre Girona, però penetrà fins al Roergue i, en retornar, topà contra un exèrcit franc comandat per Guillem de Tolosa, que fou derrotat al riu Orbieu. Els sarraïns, però, sofriren grans pèrdues, i, en retirar-se per la vall del Segre, destruïren, probablement, la Seu d’Urgell.
El 791 Carlemany inicià l’acció contra els àvars al Danubi mitjà. Dos anys més tard envià contra els àvars el seu cosí Teodoric, l’exèrcit del qual, en passar per la Saxònia, fou sorprès i desfet pels saxons al Weser. Per posar fi a les revoltes saxones acudí a la deportació (799). El 804 encara deu mil saxons foren deportats a terres franques. Les lluites contra els àvars acabaren el 799 amb l’assalt del Ring, situat a l’actual emplaçament de Györ, i començà un període de cristianització entre els àvars que foren sotmesos a una mena de protectorat franc. A la frontera de l’Elba, el Saale i l’Eider, Carles, el fill gran de Carlemany, exercia una pressió constant sobre danesos, sòrabs i txecs. A l’altre extrem del regne, Guillem de Tolosa organitzà, el 796, una expedició de pillatge en resposta a la ràtzia del 793.
El 797 el valí de Barcelona i el rei Alfons II d’Astúries entraren en relació amb Carlemany. Una assemblea celebrada a Tolosa decidí un pla de campanya per al 798. Fou acordada la restauració d’Osona i dels castells de Cardona, Casserres i d’altres sota el govern del comte Borrell. Els mesos següents Lluís atacà Lleida, que destruí, i devastà els voltants d’Osca.
L’any 800 Carlemany tornà a Roma per restablir-hi el papa en les seves funcions, pertorbades per desordres locals. El dia de Nadal el papa el coronà emperador. El restabliment de la dignitat imperial a Occident creà tensions amb l’imperi Bizantí. Hom pensà en el matrimoni de Carles amb l’emperadriu Irene, ambdós vidus, per tal de refer la unitat imperial. Però Irene fou destronada per Nicèfor el 802, i la rivalitat entre ambdós emperadors esclatà. Carles, per neutralitzar bizantins i cordovesos, establí amistat amb el califa de Bagdad Hārūn al-Rašīd. El dux de Venècia i el duc i l’arquebisbe de Zara posaren el Vèneto i la Dalmàcia sota la protecció de Carlemany; com a reacció, els grecs ocuparen la Dalmàcia, i llavors Pipí d’Itàlia entrà a Venècia (809), que havia intentat de sostreure's als francs, mentre vaixells d’ambdós imperis toparen a l’Adriàtica. Amb la mort de l’emperador bizantí Nicèfor, el nou emperador Miquel acceptà (812) el coronament del 800 i Carles renuncià a Venècia i a la Dalmàcia.
Còrdova consentí la nova frontera septentrional: Barcelona havia estat ocupada (801) i havien fracassat els atacs cristians contra Tortosa (808 i 809). El califa de Bagdad concedí que els pelegrins que anaven a Terra Santa i les comunitats cristianes que hi habitaven romanguessin sota protecció franca. Restava encara per endegar la pirateria normanda i la sarraïna. Aquella fou cohibida per la pressió damunt els danesos a través de l’Eider; aquesta, que ja havia estat un dels motius per a la presa de Barcelona, fou exercida des de Tortosa, Almeria i, sobretot, les Balears. Els comtes d’Empúries foren els encarregats especialment de reprimir-la, i, en aquesta funció, el 813 obtingué la victòria el comte Ermenguer amb el seu estol en aigües balears.
Carlemany baté moneda a nom seu a Girona, a Empúries, a Roses i a Barcelona i fou la primera moneda cristiana encunyada a la península Ibèrica després de la invasió àrab.
El 806 Carlemany dividí els seus estats entre els tres fills que havia tingut d’Hildegarda; retingué, però, la reialesa i l’Imperi. Carles i Pipí moriren el 811, i Lluís fou associat a l’imperi (813). Carlemany morí el 28 de gener de 814 a Aquisgrà, la seva residència preferent des del 794. Fou enterrat a la capella palatina. Havia estat un home robust, de bona mida, amb bigoti, sense la barba que li ha adjudicat la llegenda; amic de la cacera, dels banys, de la natació i de l’equitació. Fou un bon administrador, creà les marques defensives de l’Imperi (imperi Carolingi) i féu efectiu i eficaç el règim interior d’aquest amb la seva dedicació personal i la dels seus enviats o missi a les regions allunyades dels seus estats. Gran protector de la cultura i de les arts, atragué intel·lectuals destacats: Teodulf (780), Alcuí (781), Pau Diaca (782) i Eginhard (796). Amb llur ajut aconseguí de promoure el que ha estat anomenat renaixement carolingi. Després de la mort d’Hildegarda (783), s’amullerà amb la franca Fastrada, de qui tingué tres filles. Morta aquesta el 794, tornà a casar-se, aquest cop amb Liutgarda, de qui no tingué descendència. En vida de Fastrada tingué una amistançada, i quatre en temps de Liutgarda, de les quals li nasqueren diversos fills.
La figura de Carlemany ha estat centre d’una abundosa producció històrica i literària en llatí i en vulgar, entre la qual destaquen les cançons de gesta franceses de l’anomenat cicle del rei (cicle carolingi) i en primer terme la famosa Cançó de Rotllan. El 1165 l’arquebisbe de Colònia Reinald, per indicació de l’emperador Frederic I Barba-roja, canonitzà irregularment Carlemany, la festivitat del qual fou celebrada el 28 de gener. El culte, centrat a la catedral d’Aquisgrà, s’expandí per Alemanya, Suïssa i França. Als Països Catalans, l’única església que l’adoptà fou la de Girona, per un decret del 1345 del bisbe Arnau de Mont-rodon. Tingué ofici propi, on hom commemorava la intervenció, llegendària, de Carlemany en l’alliberament de Girona del poder musulmà el 785, consignada en el fabulós Tractatus de captione Gerundae. El culte fou abolit durant el pontificat de Sixt IV vers el 1484.