Pépin le Bref (vers 714-768), fils de Charles Martel, est le fondateur de la dynastie carolingienne. Maire du palais d'Austrasie puis de Neustrie, il concentre entre ses mains tout le pouvoir réel du royaume franc, ne laissant au dernier roi mérovingien Childéric III qu'une fonction symbolique.

En 751, avec l'appui du pape Zacharie, Pépin franchit le pas : il dépose Childéric III, qui est tonsuré et envoyé au monastère, et se fait élire roi par l'assemblée des grands du royaume. Pour la première fois dans l'histoire des Francs, le roi est sacré par un évêque, inaugurant une tradition qui perdurera pendant un millénaire.

En 754, le pape Étienne II se déplace personnellement en Gaule pour sacrer à nouveau Pépin et ses fils. En échange, Pépin intervient en Italie contre les Lombards et fait don au pape des territoires conquis, créant les États pontificaux. Cette alliance entre la papauté et les Carolingiens sera fondamentale pour l'histoire européenne.

Pépin consolide le royaume, réforme l'Église et l'administration, et prépare l'expansion que mènera son fils Charlemagne. À sa mort en 768, le royaume est partagé entre ses deux fils, Charles (le futur Charlemagne) et Carloman.

Charlemagne (vers 747-814) règne d'abord conjointement avec son frère Carloman, puis seul à partir de 771. Pendant quarante-six ans de règne, il transforme le royaume franc en un empire couvrant une grande partie de l'Europe occidentale.

Les conquêtes de Charlemagne sont impressionnantes. Il soumet les Lombards en Italie (773-774), mène plus de trente campagnes contre les Saxons avant de les christianiser de force (772-804), repousse les Avars en Pannonie (791-796), et établit la Marche d'Espagne au sud des Pyrénées après l'échec de Roncevaux (778).

Le jour de Noël de l'an 800, le pape Léon III couronne Charlemagne empereur des Romains à Rome. Cette restauration de l'Empire en Occident, trois siècles après sa chute, est lourde de significations. Charlemagne devient le protecteur de la chrétienté occidentale.

L'empire de Charlemagne s'étend des Pyrénées à l'Elbe, de la mer du Nord à l'Italie centrale. Il regroupe des peuples divers (Francs, Gallo-Romains, Lombards, Saxons, Bavarois) sous une même autorité, mais cette unité repose largement sur la personne de Charlemagne.

Le règne de Charlemagne est également marqué par un remarquable renouveau culturel, appelé Renaissance carolingienne. Conscient de l'importance de l'éducation pour gouverner son empire, Charlemagne attire à sa cour les plus grands savants de son temps : Alcuin d'York, Paul Diacre, Théodulf d'Orléans.

L'école palatine, installée à Aix-la-Chapelle, capitale de l'empire, forme les futurs cadres de l'administration. L'édit de 789 prescrit l'ouverture d'écoles dans les évêchés et les monastères. L'enseignement repose sur les sept arts libéraux (grammaire, rhétorique, dialectique, arithmétique, géométrie, musique, astronomie).

Les scriptoria monastiques copient systématiquement les textes anciens, préservant une grande partie du patrimoine littéraire antique. L'écriture est uniformisée avec la création de la minuscule caroline, ancêtre de notre écriture actuelle, plus lisible que les écritures précédentes.

L'architecture carolingienne connaît également un essor, avec la construction de la chapelle palatine d'Aix-la-Chapelle, inspirée de San Vitale de Ravenne. Les arts décoratifs (orfèvrerie, ivoires, enluminures) atteignent un haut niveau de raffinement.

À la mort de Charlemagne en 814, son fils Louis le Pieux (814-840) lui succède. Mais le règne de Louis est marqué par des conflits avec ses propres fils et un affaiblissement progressif du pouvoir impérial.

En 843, le traité de Verdun partage l'empire entre les trois petits-fils de Charlemagne : Charles le Chauve reçoit la Francie occidentale (future France), Louis le Germanique la Francie orientale (future Allemagne), et Lothaire la Francie médiane (de la mer du Nord à l'Italie). L'unité carolingienne est brisée.

La Francie occidentale, ancêtre du royaume de France, subit de plein fouet les invasions vikings. Ces guerriers scandinaves remontent les fleuves, pillent les villes et les monastères. Paris est assiégée en 845 et 885-886. En 911, Charles le Simple cède la Normandie au chef viking Rollon.

Face à l'incapacité des rois carolingiens à assurer la défense, le pouvoir se fragmente. Les comtes et les ducs rendent leurs charges héréditaires et exercent une autorité quasi souveraine. La féodalité se met en place. En 987, à la mort du dernier Carolingien Louis V, les grands élisent Hugues Capet, mettant fin à la dynastie carolingienne et inaugurant l'ère capétienne.