Po trzech latach panowania, 4 (lub 5) grudnia 771 zmarł Karloman i Karol pospiesznie objął samodzielne rządy (lekceważąc prawa swego bratanka Pepina), które trwały przeszło czterdzieści lat. Karol dzięki swej determinacji stał się jedynym władcą w królestwie swego ojca. Ponieważ nie musiał prowadzić wojen domowych, mógł skupić się na ekspansji zewnętrznej.
Niemal cały okres panowania Karola wypełniony był wojnami toczonymi na rubieżach i poza granicami jego państwa. Podczas panowania przeprowadził 54 kampanie wojenne, a w połowie z nich przewodził osobiście. W trakcie walk z zamieszkującymi Półwysep Iberyjski Arabami (m.in. w 778 i 795 roku) oraz Sasami (779–804) zdołał rozszerzyć panowanie na obszarze od rzeki Ebro w Hiszpanii, aż za Ren. W granicach imperium znalazły się też samodzielna dotąd Bawaria oraz północna i środkowa Italia, dokąd wyruszył na wezwanie papieża. Po złamaniu potęgi Longobardów ogłosił się ich władcą. Zwierzchnictwo Karola uznać musiały również plemiona słowiańskie znad Łaby i Soławy (w latach 781 i 789). W latach 791–796 wojska Karola rozbiły chanat Awarski, który zagrażał zarówno Frankom, jak i Słowianom.
Rozkwit imperium