Точно так же в 773 году, будучи занят саксонскими делами, Карл получил призыв о помощи и от папы Адриана, обеспокоенного крутым поворотом в политике короля лангобардов: несколько городов, являвшихся «достоянием святого Петра» уже пали, Равенна была в осаде, а Дидье предполагал даже явиться в Рим, чтобы заставить папу короновать сына Карломана. После тщетных попыток завязать переговоры Карл решил применить силу и выступил, как обычно, двумя армиями, взявшими противника в клещи в результате широкого маневра. Ему удалось осадить Дидье в его столице и взять Верону, где скрывались вдова и наследник Карломана. Павия держалась много месяцев. В апреле 774 года Карл даже позволил себе оставить у города небольшое войско, с остальной армией и частью двора отправиться в Рим, чтобы отпраздновать там Пасху. Впервые вождь франков побывал в бывшей столице империи. Патриций римлян был принят там с почестями, отдаваемыми прежде равеннским экзархам, бывшим носителям этого высокого звания. Вполне возможно, если верить «Liber pontificalis», что папа воспользовался волнением гостя, чтобы добиться от него подтверждения дара, который посулил когда-то Святому престолу Пипин, и якобы получил гораздо больше обещанного в 756 году, а именно более трех четвертей полуостровной Италии.
Как бы то ни было, Карл вернулся к Павии, где Дидье, исчерпав все свои ресурсы, капитулировал в начале июня 774 года. Карл арестовал его (остриг и отправил в пикардийский монастырь в Корби), а сам расположился в его дворце и роздал его сокровища войскам. Но он не ликвидировал королевства и не включил его в состав Франкского государства, а сохранил его целостность, приняв на себя 5 июня титул короля лангобардов. Вначале Карл также не тронул все институты и административный аппарат королевства. Только после ряда восстаний, особенно после мятежа герцога Фриуля в 776 году, он начал посылать туда чиновников из центральных областей королевства, назначать графов и епископов, направлять франкские контрольные миссии. Началось расселение там королевских вассалов, выделение дотаций монастырям, основанным северянами. По-прежнему не отказываясь от лангобардскою королевского титула, Карл решил в 781 году — в те же дни, когда он создавал для Людовика королевство Аквитанию, — учредить для Карломана, второго сына, рожденного ему Хильдегардой, «королевство Италию» и освятить это назначение в Риме одновременно с посвящением старшего сына. Ребенок получал по этому случаю королевское имя Пипин, что фактически исключало из наследования его сводного брата, уже носящего это имя, и Карл поселял его в Павии вместе с двором, состоявшим из высоких франкских чиновников. Тем не менее было ясно, что новый король навсегда останется вице-королем, находящимся под верховной властью настоящею короля, который и будет на деле руководить политикой Италии.
Узы дружбы, связывавшие Карла с Адрианом, не помешали патрицию отнестись, может быть даже слишком серьезно, к миссии покровительства. Он не только выделил святому Петру лишь крохи обещанного в 774 году, но и выразил желание контролировать управление своим достоянием, лично или через миссии вмешиваться в духовные, а также мирские дела церковных государств. Карл, конечно же, строил амбициозные планы распространения своей власти на всю Италию. Не довольствуясь подчинением герцогства Сполето — одного из двух лангобардских герцогств центра и юга Италии, независимых от королевства на севере, — он навязал свой протекторат и другому герцогству, Беневенто. Тем самым он вторгся в район, который традиционно считался заповедной зоной Византии. Императрица Ирена, правившая в качестве регентши своего сына Константина VI, воспользовалась случаем, чтобы разоблачить замышлявшиеся когда-то планы женитьбы ее сына на Ротруде, дочери Карла. Она плела интриги против франков и их присутствия в Южной Италии и отказалась вступить в контакт с представителями западных церквей, когда созывала в 787 году второй собор в Никее — называвшийся тем не менее вселенским, — посвященный восстановлению культа икон. Карл не замедлил отреагировать: сначала в религиозном плане, когда он торжественно отказался в «Капитулярии образов», называемом также «Libri carolini», присоединиться к постановлениям собора, как в слишком радикальным, а главное — оставить за Византией право единолично руководить жизнью церкви. В плане политическом он пошел на оккупацию Истрии, пограничного полуострова между лангобардским королевством и империей, и посадил там в 792 году вместо бывшего византийского губернатора франкского герцога. Две державы проявили первые признаки сближения лишь в 797 году, когда Ирена лишила престола своего сына, выколов ему глаза, приняла беспрецедентный для женщины титул василевсы и отправилась на запад в поисках признания законности своего императорства. Она согласилась на потерю Истрии при условии, что Беневенто останется под византийским влиянием.