Затем началась тяжелая аварская война. По свидетельству Эйнгарда, она была самой значительной и ожесточенной после саксонской и потребовала от франков очень больших издержек. Летом 791 г. армия Карла тремя различными путями вторглась в страну аваров и дошла до Венского леса, где были их главные укрепления. Покинув свой лагерь, авары бежали в глубь страны, франки преследовали их до впадения реки Раб в Дунай. Дальнейшее преследование прекратилось вследствие массового падежа лошадей. Армия вернулась в Реген-сбург, нагруженная большой добычей. Весь год Карл провел в Регенсбурге, но от нового похода против авар его отвлекло восстание саксов. Размах его превзошел даже события 785 г. К саксам присоединились фризы и славяне. Повсюду были разрушены храмы и перебиты франкские гарнизоны. Летом 794 г. Карл и его сын Карл Юный во главе двух армий вторглись в Саксонию. Видя себя окруженными, саксы массами бросились к Эресбургу, принесли клятвы верности, дали заложников и вернулись к христианству. Осенью 795 г. король с сильной армией вновь опустошил Саксонию и дошел до нижней Эльбы. Узнав, что саксы убили его союзника, князя ободритов, он подверг страну вторичному опустошению, взял до 7000 заложников и возвратился во Францию. Едва он ушел, восстали саксы в Нордальбингии, стране к северу от Эльбы. Карл должен был обратиться против них. Тем временем хорутанский князь Войномир возобновил войну против авар, взял их укрепленный лагерь ринг и захватил богатую добычу. Летом 796 г. сын Карла Пипин вновь напал на авар, опустошил всю их страну и разрушил до основания ринг. После этого похода, по словам Эйнгарда, в Паннонии не осталось в живых ни одного ее обитателя, а место, на котором находилась резиденция кагана, не сохранило и следов человеческой деятельности. Страшный народ аваров, в течение нескольких столетий наводивший ужас на всю Восточную Европу, перестал существовать. Тем временем Карл с сыновьями, Карлом и Людовиком, воевал в Саксонии. Армия прочесала всю страну вплоть до Нордальбингии, а затем возвратилась в Ахен с заложниками и большой добычей. В конце лета — начале осени Карл организовал грандиозную экспедицию в Саксонию по суше и по воде; опустошая все на своем пути, он подошел к Нордальбингии. Со всех сторон страны к нему сбежались саксы и фризы, дав большое число заложников. В ходе экспедиции Карл расселил в Саксонии франков, а многих .саксов увел с собой во Францию. Он решил не покидать страну даже на зиму. Взяв с собой весь двор, он расположился на Везере, приказал построить бараки для солдат и назвал место стоянки Герштель. Всю зиму он провел здесь, занимаясь саксонскими делами. Весной 798 г. он подверг полному опустошению земли между Везером и Эльбой. Одновременно союзные франкам ободриты разбили нордальбингов у Свентаны, перебив до 4000 саксов. После этого Карл смог вернуться во Францию, ведя за собой до полутора тысяч пленных. Летом 799 г. король вместе с сыновьями отправился в последний поход против саксов. Сам он оставался в Падерборне. Тем временем Карл Юный завершил усмирение Нордальбингии. Как обычно, Карл вернулся во Францию, ведя с собой множество саксов с женами и детьми для расселения их во внутренних областях государства.
Осенью 800 г. Карл отправился в Рим и провел здесь почти полгода, разбирая распри между папой Львом III и местной знатью. 25 декабря он слушал праздничную мессу в соборе святого Петра. Вдруг папа приблизился к своему гостю и возложил ему на голову императорскую корону. Все находившиеся в соборе франки и римляне дружно воскликнули: «Да здравствует и побеждает Карл Август, Богом венчанный великий и миротворящий римский император». Хотя все это не стало для Карла неожиданностью, он, по свидетельству Эйнгарда, первое время делал вид, что недоволен «самовольным» поступком папы. Карл утверждал даже, что, знай он заранее о намерениях Льва III, он бы в тот день не пошел в церковь, не взирая на Рождество. Делал он это, как видно, для того, чтобы успокоить Константинопольский двор. Ненависть ромейских императоров, тотчас возникшую, Карл, впрочем, перенес с великим терпением. В конце концов византийским императорам пришлось признать новый титул владыки франков.
В 804 г. был положен конец изнурительной саксонской войне. Карл прибыл в Голленштедт и переселил из Нордальбингии 10 тысяч саксонских семей во внутренние области государства. Обезлюдевшая Нордальбингия была передана ободритам. В 808 г. датский король Готфрид в союзе с полабскими славянами напал на ободритов и обложил их данью. Перед уходом он разрушил Рерик. Император отправил против датчан сына Карла. В Нордальбингии, вновь отобранной у ободритов, построили несколько крепостей; тем самым было положено начало Датской приграничной марке. Для отражения норманнских набегов Карл велел строить корабли на реках, которые протекали по Галлии и Северной Германии. Во всех портах и устьях судоходных рек по его приказу были устроены стоянки для судов и выставлены сторожевые корабли, дабы предупредить вторжение неприятеля. Это была последняя большая война при жизни Карла. За сорок лет, прошедшие после принятия им власти, он почти вдвое расширил пределы державы франков.
Незадолго до смерти, в 813 г., Карл призвал к себе Людовика, короля Аквитании, единственного оставшегося в живых своего сына от Гильдегарды, и, созвав торжественное собрание знатных франков всего королевства, назначил его, с общего согласия, своим соправителем и наследником, а затем возложил ему на голову корону и приказал впредь именовать его императором и августом. Вскоре после этого, сраженный сильной лихорадкой, он слег в постель. В начале января к лихорадке присоединился плеврит, и на седьмой день император умер.