С VII в. франкские королевства все чаще терпели военные поражения. В первые десятилетия VIII в. военная опасность поставила под угрозу само существование Франкского государства: в 718 г. арабы, подчинившие себе перед этим весь Пиренейский полуостров, вторглись в Галлию. В этом же году они захватили Септиманию и развернули наступление на Аквитанию и Бургундию. К началу 30-х годов VIII в. они продвинулись до Луары. Действия арабов представляли тем большую опасность, что отдельные аквитанские и бургундские магнаты охотно вступали с ними в союз, надеясь с их помощью одержать верх в междоусобной борьбе с соперниками.
Одолеть самовластие знати и дать отпор арабам удалось австразийскому майордому Карлу, прозванному в дальнейшем Мартеллом (Молотом). Он сумел соединить в своих руках должности майордомов всех трех франкских королевств и стать в полном смысле некоронованным правителем всего Франкского государства; престол меровингских королей оставался при нем в течение ряда лет вакантным. Решающее значение в его успехах имела проведенная им реорганизация военных сил. Исчерпание земельных ресурсов фиска и прекращение завоеваний лишило к этому времени франкских королей возможности вознаграждать служилых людей новыми пожалованиями; утратившие авторитет короли перестали быть центром притяжения знати; расширение ее частной власти «выводило» все большую часть рядовых свободных из-под королевского подчинения и затрудняло их призыв в ополчение. К тому же военное значение пешего ополчения сократилось: успехами своих завоеваний арабы в немалой степени были обязаны широкому использованию мобильного конного войска, которым не располагали франки. Карл Мартелл сделал главную ставку не на пеших ополченцев из простых свободных, но на людей среднего достатка, имевших материальные возможности для службы в конном войске. Чтобы привлечь их к себе, он прибегнул к секуляризации земельных владений церкви (в первую очередь, в Нейстрии, где церковное землевладение было особенно обширным) и к передаче их в пользование всем, готовым служить под его знаменем. А чтобы предотвратить выход служилых людей из повиновения, Карл установил, что земельные пожалования предоставляются не навечно, а на срок службы (или пожизненно) и в дальнейшем могут быть переданы другому служилому человеку (такие условные пожалования назывались бенефициями, из-за чего эту реформу стали именовать бенефициальной.
Источники не сохранили данных о том, сколько времени потребовалось Карлу для формирования нового войска и какова была его численность. Известно лишь, что в решающей битве с арабами при Пуатье в октябре 732 г. франки выстояли; более того, напав из засады на арабский лагерь, где хранилась награбленная добыча, франки вызвали смятение во вражеском стане; предводитель арабского войска был убит. Не решившись продолжать сражение, арабы на следующий день отступили.
Это был переломный момент не только в борьбе против арабской экспансии. В 30—40-е годы VIII в. Карл Мартелл и его сын Пипин Короткий (унаследовавший после смерти отца его должность майордома) сумели восстановить власть над Аквитанией, овладеть Провансом и Септиманией, вновь подчинить алеманнов и баваров и обложить данью фризов и саксов. Успех сопутствовал и действиям Пипина против лангобардов в Италии. Поддерживавшие Карла и Пипина слои получили широкие возможности приобретения почетных должностей и земельных владений во вновь завоеванных областях. Число их сторонников, осевших на юге Галлии, было столь велико, что порою говорят о «втором франкском завоевании» юга в это время. В результате власть новых правителей Франкского государства заметно укрепилась. В 751 г. на собрании знати в Суассоне Пипин Короткий был официально провозглашен королем, последний из Меровингов Хильдерик III был пострижен в монахи. Папа римский Стефан II в обмен на помощь, которую Пипин согласился оказать папству в борьбе против лангобардов в Италии и в утверждении его светской власти над Римом и прилегающей Папской областью, помазал его на царство.
Это было лишь одним из проявлений тесного союза, связавшего новую Каролингскую династию (названную так впоследствии по имени Карла Великого, сына Пипина Короткого) с католической церковью. В рамках этого союза Пипин (как и его преемники) согласился признать верховную собственность церкви на секуляризованные во времена Карла Мартелла и после него церковные земли, за пользование которыми их новые владельцы были обязаны уплачивать двойную десятину. В свою очередь папство признало законность назначенных новыми королями епископов и аббатов. Каролинги еще шире, чем Меровинги, использовали в государственном аппарате высший клир и еще последовательнее поддерживали идеологическую деятельность церкви внутри государства и ее миссионерские акции среди языческого населения еще не завоеванных стран. Решениям церковных соборов Каролинги стали придавать силу закона, церковь же со своей стороны поддерживала королевские предписания. Переплетение политики церкви и государства достигает апогея при Карле Великом.
Продолжая политику отца и деда, Карл Великий (768—814) еще шире раздвинул границы Франкского государства. Он разбил войско лангобардского короля Дезидерия, правившего в Северной Италии, лишил его власти и принял титул короля франков и лангобардов (774 г.). Подавив восстание, поднятое баварским герцогом Тассилоном, Карл лишил Баварию автономии, присоединив ее к своим владениям (778 г.). Вслед за этим в союзе со славянскими племенами франки захватили резиденцию аварского хагана (795 г.); здесь была образована граничившая с Баварией Паннонская марка. Еще до этого — с 772 г. — начались более чем 30-летние кровопролитные войны с саксами. Безжалостно расправляясь с недовольными (тысячи саксов были казнены, еще большее их число насильственно переселено в другие области), Карл заставил саксов покориться и принудил их принять христианство. В ходе завоевания саксов сложился союз Карла со славянским племенным княжеством ободритов, позволивший предотвратить попытки других славянских племен (в частности, вильцев в 789 г.) помешать франкскому освоению Саксонии и подавить некоторые из мятежей саксов (795—798 гг.). Продолжал Карл войны своих предшественников и на юге: развернув наступление против арабских владений в Испании, он перешел Пиренеи и образовал пограничную Испанскую марку. (Во время одной из неудачных для Карла военных кампаний здесь в 778 г. погиб возглавлявший франкский арьергард маркграф Роланд — прототип легендарного героя «Песни о Роланде».) В целом за время правления Карла Великого территория Франкского государства выросла почти вдвое. Оно простиралось теперь от Эльбы и Дуная до Каталонии и Беневенто, включив в свои пределы почти все основные земли бывшей Западной Римской империи.