Carlemany començà la construcció de la capella palatina al voltant de l'any 796.[1] El 805 el papa Lleó III la consagrà. L'edifici té una capella en arc, central. A l'extrem est tenia un absis quadrat, i originàriament estava flanquejat per dues estructures basilicals, ara perdudes però conegudes per l'arqueologia. S'entra a la capella per un atri monumental. El pla i la decoració de l'edifici combinen elements clàssics, romans d'Orient i preromànics.

L'arquitecte responsable, Eudes de Metz, apareix en una inscripció del segle x a la cúpula: Insignem hanc dignitatis aulam Karolus caesar magnus instituit; egregius Odo magister explevit, Metensi fotus en urbs quiescit. No se'n sap res més. L'edifici té un exterior senzill i un interior complex, amb una cúpula octogonal de doble capa que reposa sobre molls de gran grandària, una elevació de dos pisos i un revestiment i una decoració elaborats.[2]

Al 936, Otó I, el primer emperador del Sacre Imperi germànic, aprofità l'estreta associació de la capella amb Carlemany i hi celebrà la seua coronació com a rei d'Alemanya. Els emperadors romans continuaren sent coronats a la capella palatina fins al 1531.[3] L'any 1000, en el que probablement fou una exposició simbòlica, Otó III col·locà la tomba de Carlemany a la capella i en reté homenatge a les restes.[4] La tomba original era segurament un nínxol, després coneguda com la «Karlsmemorie», però fou destruïda el 1788.[5]