Папа посетил Пипина в 754 г., и хотя король франков не спешил начинать войну с лангобардами за передачу папе византийских владений, обстоятельства подтолкнули его к положительному ответу на просьбу Стефана II: Айстульф занял ряд городов у границ Римского дуката. Началась война, в ходе которой Пипин дважды вторгался во владения лангобардов на северо-западе Италии; Айстульф в обоих случаях проигрывал сражения и был вынужден в 756 г. принять выгодные папе условия мира, однако вскоре умер. Пипин подтвердил патримоний (право наследования) папы над Римским дукатом и Равеннским экзархатом. По существу это означало утверждение светской власти папства на этих территориях Центральной Италии. Так в 756 г. с помощью франков возникло светское государство пап – Патримоний святого Петра, или Папская область.
Дезидерий, избранный королем лангобардов после смерти Айстульфа, продолжил его политику борьбы с самоуправством герцогов, правда, не всегда успешную, и не оставлял надежды на расширение своих владений за счет папских земель. В то же время он старался поддерживать дружественные отношения с Франкским королевством, во главе которого в 768 г. оказался сын Пипина Карл, позже названный Великим. Дезидерию даже удалось выдать за Карла свою дочь Эрменгарду. Однако брак оказался непрочным: в 772 г. он был расторгнут Карлом. Оскорбленный этим Дезидерий резко изменил свою позицию по отношению не только к франкам, но и к папе Адриану I. Нарушив перемирие с папой, он занял несколько городов в области Романья – Фаэнцу, Феррару, Комаккьо (их в 756 г. Айстульф уступил папе Стефану II) – и готовился к захвату Римского дуката. Осенью 772 г. Дезидерий продолжил отторжение папских земель, захватив Пентаполис, Урбино, Губбио, и стал собирать силы для овладения Римским дукатом.
Серьезно обеспокоенный складывавшейся ситуацией, папа Адриан I обратился с просьбой к франкскому королю Карлу о помощи. Значительно расширив к тому времени границы Франкского королевства, Карл Великий увидел в этом возможность включить в него и Италию. В 773 г. он возглавил поход в Северную Италию и предложил Дезидерию вернуть папе захваченные земли. Однако тот отказался, и тогда Карл объявил о начале войны. Дойдя до города Сузы, он снова предложил Дезидерию мир на тех же условиях, но и на этот раз получил отказ. Осенью 773 г. состоялось сражение, в котором Дезидерий потерпел поражение, что вынудило его отойти к Павии. В ответ на предложение лангобардского короля заключить мир теперь уже Карл ответил отказом и, заняв крупные города (Милан, Турин и др.), начал готовиться к длительной войне. Он осадил Павию и в июне 774 г. захватил город. Оказавшийся в плену Дезидерий был отправлен в один из монастырей Франции, где и окончил свои дни.
Территория Лангобардского королевства перешла к франкам, независимость сумели сохранить только герцогства Сполето и Беневенто. Папе были возвращены все его владения. Карл Великий вместе со своим двором обосновался в Павии и подолгу оставался в Италии, рассматривая ее как одну из самых значимых частей своей обширной державы. В 781 г. он предоставил Италии статус самостоятельного королевства в составе Франкского государства. После провозглашения в 800 г. Карла Великого императором королем Италии стал его сын Пипин (800–810), который безуспешно пытался подчинить герцогство Беневенто, а в конце своего правления потерпел неудачу и в попытке захватить Венецию. Смерть Карла Великого в 814 г. повлекла за собой распад его огромной, но политически недостаточно прочной империи. По Верденскому договору 843 г. о разделе империи на три самостоятельных государства Итальянское королевство обрело полную самостоятельность, его правителем стал один из внуков Карла Лотарь. Еще при жизни Лотаря его сын Людовик II был коронован папой на царствование в Италии. Отсюда ведет начало традиция и право римских пап короновать императоров короной Италии, просуществовавшая несколько столетий.