Com a rei d’Aquitània, coronat pel papa Adrià I a Roma el 781, fou encarregat pel seu pare dels afers de les fronteres amb els sarraïns d’Espanya, sota la cura successiva d’Arnold, Deodat i Hildegarda, amb la responsabilitat militar dels ducs de Tolosa, de primer Corsó i després Guillem I (970), i amb el consell, en els afers espirituals, de Benet d’Aniana. Les capitals efectives foren Bourges, des del punt de vista eclesiàstic, i Tolosa, des del polític i el militar. Les primeres missions degueren ésser la implantació dels hispans refugiats a Septimània i Provença des del fracàs de l’expedició de Carlemany a Saragossa (788), i l’acceptació de la incorporació de territoris que s’esmunyien de la dominació sarraïna, com Girona (785) i Cerdanya i l’Alt Urgell (poc abans del 789). Tot seguit hagueren d’actuar en relació amb l’heretgia adopcionista de Fèlix d’Urgell, sobretot a partir del 792. El 797 atacà Osca. El 798 Carlemany li transferí plenament la direcció dels afers meridionals, i a Tolosa fou acordada la restauració de la ciutat d’Osona i dels castells de Cardona, Casserres i altres a càrrec del comte Borrell, que devia ésser-ho de Cerdanya-Urgell i que ho fou tot seguit d’Osona-Berguedà. El 800 efectuà una campanya per Catalunya, comptant amb l’ajut del sarraí Sa'd, el qual féu defecció. Llavors Lluís es dirigí vers Lleida i la destruí, devastà els voltants d’Osca i es retirà. El 801 fou decidida, a Tolosa, una expedició que tingué com a objectius Barcelona i probablement Tortosa i Lleida, per a establir frontera a l’Ebre i el Cinca. Barcelona fou atacada amb grans forces, però resistí, i no fou ocupada fins a la tardor. Els seus habitants i els del castell de Terrassa obtingueren de Lluís un règim especial, amb administració pròpia i un notable marge de llibertat. Lluís, en tornar a França, deixà a Barcelona, com a comte, Berà, amb una forta guarnició de septimans. El retard en l’ocupació de Barcelona no permeté l’atac immediat a Lleida i a Tortosa. Lluís atacà aquesta darrera el 808, i hi tornà l’any següent, però fracassà. El 812 intentà de fer ocupar Osca, però tampoc no ho aconseguí. Assolí, tanmateix, l’ocupació de Jaca i la seva rodalia, que fou confiada al comte Asnar Galí, probablement un gascó amic dels francs. El mateix any fou establerta una treva de tres anys amb els sarraïns. El 814, a la mort de Carlemany, Lluís pujà al tron imperial. El primer de gener de 815 atorgà una constitució de protecció als hispans refugiats, i el 816 fou coronat a Reims pel papa Esteve IV.
De molt jove s’havia casat amb Ermengarda, que li donà tres fills: Lotari, Lluís i Pipí. Per l'Ordinatio Imperii del 817 establí la seva successió, preveient Lotari com a emperador, Lluís com a rei de Baviera i les marques orientals —i per això fou anomenat el Germànic—, Pipí com a rei d’Aquitània, la marca de Tolosa i alguns comtats borgonyons, i Bernat, fill de Pipí d’Itàlia (germà de Lluís el Piadós), com a rei d’aquest país, tots ells com a vassalls del primer. Bernat, creient-se lesionat en els seus drets, es revoltà, i fou vençut i condemnat a mort per traïció. Lluís commutà la pena per la de pèrdua de la vista, però l’execució d’aquesta produí la mort del reu, i llavors Lluís s’obligà a una penitència pública.
Vidu (818), es casà l’any següent amb Judit, filla del duc Güelf de Baviera. Mentrestant, el comte de Barcelona Berà era acusat de traïció, era vençut en combat judicial i era condemnat a mort (820). Lluís, però, no en permeté l’execució ni la confiscació dels seus béns, i s’acontentà amb bandejar-lo a Rouen. El 823 féu coronar Lotari emperador pel papa Pasqual I, a Roma, i aviat (825) actuaren conjuntament amb el títol imperial. L’any 823 nasqué un fill de Judit, que fou el futur Carles el Calb. Aviat la nova emperadriu reclamà un regne per al seu fill, però l’omnipotent primer ministre Wala, abat de Corbie, s’hi oposà.
Mentrestant, a Catalunya el noble got Aissó i Guillemó, fill de Berà, es revoltaren contra el poder franc; Wala fou destituït, i Lotari, que estava identificat amb ell, fou enviat a Itàlia i fou separat del coregnat amb el seu pare. A l’alt Rin fou creat un estat que hom destinà al fill de Judit. Tot seguit Wala organitzà un vast complot, acusant Bernat de Septimània i Judit d’adulteri, i al primer, a més, de màgia i de projecte d’assassinat de l’emperador, i suscità la revolta de Lotari i els seus germans contra Lluís. Els revoltats triomfaren, i l’emperador restà presoner; Bernat fugí a Barcelona i el seu germà Heribert fou eixorbat, Judit fou obligada a professar en un monestir i el petit Carles fou confiat a monjos perquè l’induïssin a prendre estat religiós (830). Però per l’octubre del mateix any Pipí i Lluís el Germànic conspiraren contra Lotari a favor de llur pare, i un altre cop el primogènit fou exiliat a Itàlia. Judit, a la dieta d’Aquisgrà (831), jurà que era innocent, i Lluís la tornà a prendre per muller. Bernat, poc després, a Diedenhofen (Thionville), s’oferí a combatre judicialment contra els seus acusadors, i, com que aquests no es presentaren, també fou declarat innocent. Una nova entesa entre els germans donà lloc a un altre triomf de Lotari, a Lügenfeld, i a la reclusió del seu pare i el príncep Carles al monestir de Saint-Denis (833). Però aviat el poble i l’Església, indignats pel tracte inferit a l’emperador, el reposaren en la seva dignitat (març del 834). Des del 831 Pipí d’Aquitània s’havia col·locat en una actitud recelosa i indòcil, que fou secundada per Bernat de Septimània. Per això aquest i el seu germà Gaucelm foren privats dels càrrecs als comtats de Barcelona i Rosselló (832), i es refugiaren a Borgonya. Els imperialistes de Lotari, els legitimistes de l’Emperador i els particionistes de Pipí i Lluís continuaren lluitant. A Catalunya predominaven els imperialistes, però hi havia també alguns legitimistes, entre els quals els descendents de Bel·ló, comte de Carcassona, Sunifred, que fou fet comte de Cerdanya i Urgell, i Sunyer, que ho fou de Rosselló i Empúries. Lotari, que s’havia apoderat de Châlons-sur-Saône, se sotmeté al seu pare (agost-setembre del 834), i se'n tornà definitivament a Itàlia. Mort Pipí I d’Aquitània el 838, l’emperador convocà una assemblea a la fi del maig del 839, a Worms, i féu una nova partició: Carles rebia França, entre el Mosa i el Sena, Nèustria entre el Sena i el Loira, la marca de Bretanya, Aquitània, la Borgonya occidental i les marques pirinenques; la resta, comprenent-hi Itàlia i excloent-ne Baviera, era per a Lotari; Baviera era per a Lluís el Germànic, que ja la governava; Pipí II, el fill de Pipí, era eliminat, però ja havia estat proclamat rei d’Aquitània, com a successor del seu pare, i tot seguit l’emperador hagué d’emprendre una campanya per l’Alvèrnia i el Llemosí per a reduir els seus partidaris. L’hivern obligà a suspendre la lluita, i en arribar el bon temps de l’any següent, l’emperador hagué d’adreçar-se a combatre Lluís el Germànic, tornat a revoltar, i en passar el Rin, de retorn, morí, i deixà l’imperi en una gran confusió.
L’epopeia francesa ha assignat a l’emperador Lluís un trist paper, barreja de feblesa i d’ingratitud, principalment a la cançó de gesta Li coronemenz Loois, de la primera meitat del segle XII. Una llegenda derivada de les acusacions de Wala contra Judit i Bernat ha inspirat molts texts literaris en vers i en prosa, en llengües diverses, per l’Europa occidental i central, entre ells molts de catalans, des de Desclot (que reflecteix un text català anterior) fins ara. Cal dir que les versions catalanes tenen una personalitat força diferenciada en relació amb les altres, i que aquesta diferenciació sembla arrencar del darrer decenni del segle XII.