Nel 786, Carlo Magno diede inizio alla costruzione della cappella del suo palazzo, la Cappella palatina, che costituisce il nucleo più antico della cattedrale. Per 600 anni, dal 936 al 1531, la chiesa di Aquisgrana fu la chiesa di incoronazione per 30 regnanti del Sacro Romano Impero. La città fu saccheggiata più volte dai vichinghi e nell'881, la chiesa venne convertita, in segno di disprezzo verso i franchi e la loro religione, in una stalla.

Nei secoli successivi, l'edificio venne arricchito di nuove cappelle laterali, in vario stile. Con l'erezione della diocesi di Aquisgrana nel 1801, la chiesa ha assunto il titolo di cattedrale. La cattedrale di Aquisgrana è stata il primo monumento tedesco ad essere incluso, nel 1978, nella lista dell'UNESCO dei Patrimoni dell'umanità, come pure è stato uno dei primi tre beni storici in Europa. È stato inoltre candidato come una delle sette meraviglie moderne.

Alla sua morte, nell'814, Carlo Magno fu sepolto nella sua chiesa, dove i suoi resti sono tuttora conservati in uno scrigno, insieme al suo trono e il suo busto reliquiario.

Nell'anno 1000, Ottone III fece aprire la cripta di Carlo Magno. Si disse che il corpo dell'imperatore fu trovato in notevole stato di conservazione, seduto su un trono di marmo, vestito con gli abiti imperiali, con la sua corona in testa, con i Vangeli aperti in grembo e lo scettro in mano. Nella tomba venne ritrovato l'evangeliario dell'Incoronazione. Un grande affresco che rappresenta Ottone e i suoi nobili che ammirano l'imperatore defunto fu dipinto sulla parete della sala grande del municipio.

Nel 1165, l'imperatore Federico Barbarossa aprì ancora la cripta e fece disporre le spoglie in un sarcofago romano scolpito nel marmo, che si diceva essere quello in cui Augusto fu sepolto. Le ossa vi riposarono fino al 1215, quando Federico II le fece trasferire in uno scrigno di oro e argento.

Per sopportare l'enorme flusso di pellegrini, tra il 1355 e il 1414 fu costruito un coro in stile gotico, che fu consacrato nell'anno 1414, seicentesimo anniversario della morte di Carlo Magno.