En 813, Carlomagno convocó a su corte a Ludovico Pío, rey de Aquitania y su único hijo sobreviviente. Una vez allí, lo coronó con sus propias manos como coemperador para luego enviarlo de regreso a Aquitania. A continuación, pasó el otoño de cacería antes de volver a Aquisgrán el 1 de noviembre. En enero enfermó de pleuritis (Eginardo 59) y el 21 cayó en cama. Eginardo cuenta que:
Murió el veintiocho de enero, el séptimo día desde que cayó en cama, a las nueve de la mañana, tras participar de la eucaristía, en su septuagésimo segundo año de vida y el cuadragésimo séptimo de su reinado.
Carlos fue sepultado el mismo día de su muerte en la Catedral de Aquisgrán, pese a que el clima frío y la naturaleza de su enfermedad no imponían apuro alguno a su entierro. Un relato posterior, narrado por Oto de Lomello, conde del Palacio de Aquisgrán en época de Otón III, indicaría que él y el emperador Otón habían descubierto la tumba de Carlomagno; estos dos hombres sentaron al emperador en un trono, le vistieron con una corona y un cetro de celebración y cubrieron con ostentosas ropas su cuerpo incorrupto. En 1165, el emperador Federico I abrió de nuevo la tumba y trasladó el cuerpo a un sarcófago que emplazó debajo del suelo de la catedral.[23] En 1215, Federico II volvería a introducirle en un ataúd de oro y plata.
La muerte de Carlomagno afectó profundamente a muchos de sus cortesanos, en especial a aquellos que formaban una especie de «camarilla literaria» adherida al emperador en Aquisgrán. Así se lamenta un anónimo monje de Bobbio:
Desde las tierras donde se alza el sol hasta las playas occidentales la gente llora y se lamenta... los francos, los romanos y todos los cristianos se duelen con enorme preocupación... jóvenes y ancianos, gloriosos nobles, todos lamentan la pérdida de su César... el mundo lamenta la muerte de Carlos...Cristo, tú que gobiernas los cielos, concede a Carlos un lugar tranquilo en tu reino. Para mi desgracia.[24]
Fue sucedido por su hijo superviviente, Ludovico, quien había sido coronado el año anterior. Su imperio permaneció intacto una sola generación más; la historiografía afirma que la división efectiva entre los hijos de Ludovico dio pie a la formación de los modernos estados de Francia y Alemania.
