В Тортоне папа совершил императорскую коронацию Рихильды, жены Карла Лысого, после чего император отправил её в Западно-франкское королевство. К тому времени франкские магнаты подняли мятеж. Приближение баварского войска заставило папу укрыться в Риме, тогда как Карл Лысый поспешно покинул Италию. Во время перехода через Альпы он тяжело заболел. По мнению Гинкмара Реймсского, врач императора иудей Седекия дал ему отравленный напиток, после чего Карл Лысый скончался. Предположение, что Карл Лысый был отравлен, получило развитие в более поздних источниках (например, в «Хронике» Регинона Прюмского), но в восточно-франкских «Фульдских анналах» говорится о смерти императора от дизентерии. Карл Лысый был похоронен в аббатстве Нантюа. Впоследствии останки императора в соответствии с его волей перенесли в аббатство св. Дионисия. Перед смертью Карл Лысый назначил наследником Западно-франкского королевства Людовика Заику. Императрица Рихильда вручила ему «меч святого Петра» и королевские одеяния, после чего архиепископ Гинкмар Реймсский совершил коронацию. Людовик Заика отклонил предложение папы Иоанна VIII принять императорский титул, его недолгое правление (877–879 гг.) завершилось междоусобицей. Постепенное ослабление королевской власти преемников Карла Лысого стало признаком упадка династии Каролингов, а воссоздание империи оказалось невозможным. Карл Лысый считается последним правителем из династии Каролингов, который пытался проводить имперскую политику, укреплял влияние церкви, способствовал развитию наук и искусства. Благодаря заботам матери он получил прекрасное образование под руководством Валафрида Страбона. По свидетельству Гинкмара Реймсского, Карл Лысый с детства изучал богословие, а епископ Лизьё Фрекульф (825–852 гг.) послал императрице Юдифи для обучения сына вторую часть написанной им «Всемирной хроники». По словам Хейрика Осерского, Карл Лысый был окружён знатоками наук и искусства, среди которых было немало выходцев из Ирландии. Король поддерживал тесные отношения с крупными богословами и церковными писателями, многие из них давали ему советы по управлению государством. Подражая деду, Карлу Великому, Карл Лысый придавал большое значение идеологии христианского правления, инициировал обсуждение вопросов, связанных с нравственным обликом и обязанностями государя, источниками его власти.