25 декабря 800 г. на рождественской литургии в базилике святого Петра папа возложил на голову Карла Великого императорскую корону и помазал его священным елеем, затем Карла Великого провозгласили императором римлян (imperator romanorum). По свидетельству Эйнгарда, Карл Великий был недоволен «неожиданной» инициативой Римского папы и даже будто бы заявил, что знай он заранее о намерениях Льва III, то, несмотря на праздник, не пошёл бы в тот день в церковь. В поведении императора исследователи усматривали как личную скромность франкского государя, так и стремление избежать открытого конфликта с византийскими правителями, которые ревниво относились к появлению на Западе носителя императорского титула. Тем не менее, Карл Великий не отказался от императорского титула. После коронации в официальных документах часто указывался титул Карла Великого – «Karolus serenissimus augustus a Deo coronatus magnus pacificus imperator Romanum imperium gubernans qui et per misericordiam dei rex Francorum atque Langobardorum» («Карл всемилостивейший август, венчанный Богом великий император-миротворец, управляющий Римской империей, милостью Божией король франков и лангобардов»). Византия сначала негативно отнеслась к коронации, не признавая императорского титула Карла Великого, что привело к военным действиям на юге Италии. Однако вскоре отношения с Византией улучшились. Карл Великий и узурпировавшая трон императрица Ирина вели переговоры о заключении брачного союза, выгодного для обеих сторон. Матримониальным планам не суждено было осуществиться. Осенью 802 г. в Константинополе произошёл государственный переворот, в результате которого императрица Ирина была лишена власти, а трон занял император Никифор I (802–811 гг.), который отказался признавать императорский титул Карла Великого. Франкский император объявил Византии войну. В 803–810 гг. франки захватили Венецию и Далмацию, вступили в союз с багдадским халифом; император Никифор I, неудачно воевавший в это же время в Болгарии, был вынужден начать мирные переговоры. Императорский титул Карла Великого был признан только в 812 г. византийским императором Михаилом I Рангаве, который рассчитывал на помощь правителя франков в борьбе с болгарами. Карл Великий, в свою очередь, уступил Византии Далмацию и Венецию. Международный престиж Франкской империи в начале IX в. был необычайно высок. Дипломатических отношений с императором добивались ирландские князья и англосаксонские короли. Едва окрепшее к тому времени королевство Астурия рассчитывало на поддержку сильного соседа в начавшейся в Испании Реконкисте. Вновь избранный Иерусалимский патриарх Фома I поспешил выразить Карлу Великому своё почтение. Могущественный правитель Багдадского халифата Харун аp-Рашид, идя навстречу Карлу Великому, разрешил христианам совершать паломничества на Святую землю. За несколько десятилетий территория Франкского государства увеличилась почти вдвое и составила около 1 млн. кв. км. Его границы простирались от Бретани на западе до реки Эльбы на востоке, от Центральной Италии и реки Эбро на юге до Фризии и Дании на севере.