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Pipino repartió el reino a su muerte en 768, entre sus hijos Carlos y Carlomán. De todas formas, Carlomán se retiró a un monasterio y murió poco tiempo después, dejando a su hermano como único rey. Éste pasaría más tarde a ser conocido como Carlomagno, en francés Charlemagne y en alemán Karl der Große. Era un personaje poderoso, inteligente y relativamente culto, que se convertiría en una leyenda para la historia posterior tanto de Francia como de Alemania. Carlomagno restableció un equilibrio de poder entre el emperador y el papa.
A partir del año 772, Carlomagno emprendió una larga guerra en la que conquistó y derrotó a los sajones para incorporar sus territorios al Imperio Franco (las últimas incursiones de Carlomagno sobre los territorios sajones está datada en 804 por los Annales regni Francorum). Esta campaña se sumó a la práctica de líderes cristianos no romanos que provocaban la conversión de sus vecinos por la fuerza. Los misionarios católicos francos, junto a otros de Irlanda y de la Inglaterra anglosajona, habían penetrado en territorio sajón desde mediados del siglo VIII, resultando en un aumento de los enfrentamientos con los sajones, que se resistían a los empeños misionarios acompañados de incursiones militares. El principal oponente sajón de Carlomagno, Widukind, aceptó ser bautizado en el 785, como parte de unos acuerdos de paz, pero otros líderes sajones continuaron con la lucha. Tras su victoria en el 782 en Verden, Carlomagno ordenó la matanza masiva de miles de prisioneros sajones paganos. Tras varios levantamientos más, los sajones sufrieron la derrota definitiva en el 804. Esto expandió el Imperio Franco hacia el este, hasta el río Elba, algo que el Imperio romano sólo intentó una vez, y en lo que falló en la batalla del Bosque de Teutoburgo (año 9 d. C.). Para poder cristianizar con más efectividad a los sajones, Carlomagno fundó varias diócesis, entre las que se cuentan las de Bremen, Münster, Paderborny Osnabrück.
Al mismo tiempo (773-774), Carlomagno conquistó a los lombardos, incluyendo de esta manera el norte de Italia en su esfera de influencia. Renovó el donativo al Vaticano y la promesa al papado de continuar la protección por parte de los francos.
En el 788, Tasilón III, duque de Baviera, se rebeló contra Carlomagno. Tras aplastar la revuelta, éste incorporó Baviera a su reino. Además de expandir los horizontes de sus dominios, redujo de manera drástica el poder y la influencia de los agilolfingos (la familia de Tasilón), otra de las familias influyentes de entre los francos y sus potenciales rivales. Hasta el 796, Carlomagno continuó expandiendo su reino todavía más hacia el sureste, hasta la actual Austria y a partes de Croacia.