W porównaniu z Adrianem papież Leon III (795-816) był człowiekiem gorszego kalibru. Podczas gdy Adrian próbował zachować niezależność, równoważąc cesarza bizantyjskiego z królem Franków, Leon od początku okazywał uległość temu drugiemu. Zarówno w Konstantynopolu, jak i w Rzymie sytuacja była niestabilna. W Konstantynopolu, po kłopotach sięgających 790 r., cesarzowa Irena kazała oślepić i obalić w 797 r. swego syna Konstantyna VI, a sama zajęła jego miejsce, jako pierwsza kobieta, która samodzielnie rządziła cesarstwem. Jej pozycja konstytucyjna była więc wątpliwa; Alcuin na Zachodzie w 799 r. uznał tron cesarski za pusty. Tymczasem w Rzymie wroga szlachta wykorzystała okazję, by zaatakować Leona, który w 799 r. uciekł przez Alpy do swego protektora Karola Wielkiego w Paderborn. Choć papież wywarł na nim niekorzystne wrażenie, Karol Wielki uległ namowom Alkuina i odesłał go do Rzymu z komisją, która uznała skargi przeciwko niemu za fałszywe, a jego oskarżycieli aresztowała i deportowała. Sytuacja była jednak nadal niepewna. Wobec trudnej sytuacji zarówno papieża, jak i cesarza bizantyjskiego, „całe zbawienie kościoła Chrystusowego” spoczywało (jak pisał Alcuin) w rękach Karola Wielkiego, który jesienią 800 r. wyruszył do Rzymu, „aby przywrócić stan kościoła, który był bardzo zaburzony”. 23 grudnia Leon uroczyście oczyścił się z ciążących na nim zarzutów. Dwa dni później, 25 grudnia, wielkie zgromadzenie zebrało się w Bazylice Świętego Piotra, gdzie papież miał konsekrować syna Karola Wielkiego na króla. Nagle, gdy Karol Wielki podniósł się z modlitwy, Leon włożył mu na głowę koronę i podczas gdy zgromadzeni Rzymianie okrzyknęli go „Augustem i cesarzem”, papież uniżył się przed Karolem Wielkim, „adorując” go „na wzór dawnych cesarzy”.”
Wydaje się jasne, że ta koronacja była dziełem papiestwa, a nie króla Franków, który podobno był nią zaskoczony i rozgniewany. Bezpośrednim beneficjentem koronacji był papież, którego pozycja była odtąd bezpieczna. Karolowi Wielkiemu pozostało zmierzyć się z jej doniosłymi konsekwencjami, a zwłaszcza zapewnić sobie uznanie ze strony Konstantynopola, bez którego jego tytuł był prawnie nieważny. Według kronikarza Teofanesa próbował tego dokonać, proponując małżeństwo z cesarzową Ireną, mając nadzieję, że w ten sposób „zjednoczy Wschód i Zachód”. Jeśli tak, to rewolucja w Konstantynopolu i obalenie Ireny w 802 r. sprawiły, że plan ten spełzł na niczym. W każdym razie koronacja Karola Wielkiego była działaniem pozaprawnym, w istocie nielegalnym i rewolucyjnym. Papież nie miał prawa uczynić go cesarzem. Koronacja nie stworzyła też nowego państwa zachodniego u boku istniejącego imperium wschodniego. Jako uzurpator w oczach Bizantyjczyków, Karol Wielki nie miał najmniejszych szans na objęcie tronu cezarów. Jedynymi terytoriami cesarskimi, na których położył ręce, były księstwo rzymskie i dawny egzarchat. Poza tym pozostał, jak poprzednio, królem Franków i Lombardów. Biorąc pod uwagę fakt, że w 806 r. poczynił przygotowania do podziału swoich terytoriów między trzech synów, można mieć wątpliwości, czy imperium Karola Wielkiego przetrwałoby, gdyby dwaj starsi synowie nie zmarli przed nim, pozostawiając niepodzielne dziedzictwo w 814 r. trzeciemu synowi, Ludwikowi I Pobożnemu.
Chociaż bezpośredni kontekst koronacji cesarskiej w 800 r. był ograniczony, miała ona szersze konotacje. Po pierwsze, podział na Wschód i Zachód stał się faktem dokonanym w sferze politycznej, bo choć w 800 r. nie chciano dzielić imperium, taki był praktyczny rezultat. W 812 roku, po nieudanej wojnie i męczących negocjacjach, cesarz bizantyjski Michał I uznał tytuł cesarski Karola Wielkiego. Był to wciąż tytuł osobisty, a Karol Wielki został uznany jedynie za cesarza, a nie za cesarza Rzymian; innymi słowy, cesarz w Konstantynopolu utrzymał swoje roszczenie do bycia jedynym prawdziwym następcą rzymskich cezarów. Co więcej, uznanie to było niechętnie udzielane, a później, gdy Bizancjum było silniejsze, a Karolingowie słabsi, następcy Michała odmówili automatycznego rozszerzenia go na następców Karola Wielkiego. Tak więc drugą konsekwencją aktu z 800 r. była rywalizacja z Konstantynopolem, która pozostała ważnym czynnikiem w historii cesarstwa co najmniej do 1204 r. Po trzecie, koronacja Karola Wielkiego wciągnęła go i jego następców coraz głębiej w ekumeniczne pretensje papiestwa.
Stosunki między papiestwem a władcami frankijskimi, bliskie przez prawie 50 lat przed 800 r., uległy intensyfikacji, gdy rzymska stolica stała się pierwszym kościołem metropolitalnym w dominiach Karola Wielkiego. Religijni cesarze i ich kościelni doradcy mieli odtąd postrzegać wspieranie jedności chrześcijan jako główną funkcję związaną z ich cesarską godnością. Ponadto fakt, że papież koronował Karola Wielkiego na cesarza – słusznie czy nie – nie mógł nie robić wrażenia. To papież przejął inicjatywę. Czyż to nie on ustanowił Karola Wielkiego cesarzem? W czasach Innocentego III twierdzono, że papież Leon III przeniósł imperium z Greków na Germanów i że jego następcy mogli je przenieść gdzie indziej, jeśli tylko zechcieli. Była to późniejsza doktryna, ale już dla Karola Wielkiego niebezpieczeństwa były oczywiste. Dlatego też, gdy w 813 r., po zawarciu umowy z Michałem I, Karol Wielki postanowił włączyć swego żyjącego syna, Ludwika, w sprawowanie władzy cesarskiej, odpowiednio ukształtował swoje działania. Ceremonia odbyła się nie w Rzymie, lecz w kaplicy cesarskiej w Akwizgranie; papież nie był obecny; aktem konstytutywnym była aklamacja zgromadzonej szlachty frankijskiej; Ludwik albo otrzymał diadem od ojca, albo wziął go własnoręcznie z ołtarza. Kontrast z rzymską ceremonią z 800 roku był zamierzony. Odtąd konflikt między dwoma przeciwstawnymi poglądami czy teoriami cesarstwa – papieską i frankijską – miał być dominującym tematem.