Когда эта цель была достигнута или, по крайней мере, казалась достигнутой, король двинул войско на юг, определяя наперед последовательность своих действий и спокойно оценивая их срочность. То, что он вторгнется в Италию, можно было предугадать без труда, так как лангобардский король Дезидерий не только пытался сокрушить франкское королевство, используя против Карла притязания на трон детей Карломана и Герберги. В 772 г. он даже потребовал от папы совершить помазание сыновей Карломана. Папа Адриан I, сторонник франков, избранию которого Дезидерий не смог помешать, предпочел не подчиниться его требованию, и попросил помощи у Карла. Карл, не сомневаясь, что в Италии он также примет наследство своего отца Пипина, летом 773 г. созвал войско и, для верности разделив его на две группы, перевел через Альпы. Эти группы соединились у Павии, резиденции лангобардского короля, и началась длительная осада столицы. Узнав, что вдова его брата с детьми укрылась в Вероне, Карл, не прерывая осады, с отрядом своего войска отправился в Верону, взял город и захватил в плен Гербергу с детьми. С тех пор в источниках о них не сказано ни слова. Когда осада Павии еще продолжалась, Карл в качестве предлога для своего первого посещения Рима использовал праздник Пасхи. Визит стал знаменательным из-за почестей, которые оказал Карлу папа: это были чествования, полагающиеся римскому патрицию. Но прежде всего он важен из-за документального подтверждения дара Пипина, которым Карл однозначно дал понять, что намерен продолжать отношения с папством, установленные его отцом. Дальновидный Карл зафиксировал это в документах, прибавив в 774 г. к своему королевскому титулу титул римского патриция, отнюдь не ставший для Карла пустым звуком.
Несколько месяцев спустя, в июне 774 г., пала Павия. Королю Дезидерию, который выдержал все лишения осады (тогда как его сын Адальгиз бежал в Византию), не оставалось другого выбора, кроме как сдаться. Этим окончательно и бесповоротно была решена его судьба. В отличие от Пипина, который, хотя и покорил лангобардского короля Аистульфа, предшественника Дезидерия, но оставил его королем, Карл после ожесточенной борьбы взял Дезидерия в плен, сверг и сослал в один из франкских монастырей. Примечательно, что Карл все-таки не прекратил существование лангобардской королевской власти: он сверг короля и сам занял его место, правда, без выборов и коронования, опираясь исключительно на право завоевателя.
С тех пор его титул звучал так: «Король франков и лангобардов и римский патриций» (rex Francorum et Langobarderum atque patricius Romanorum). Эта формулировка существенна, так как она коротко и ясно характеризует новое положение вещей: Карл управлял и франкским, и лангобардским королевством, которое продолжало существовать как самостоятельное. Оно было не включено в королевство франков, а присоединено к нему в силу подчинения одному и тому же королю. Это был первый случай «персональной унии» в европейской истории. Так как владения Карла из-за этого оказались по соседству с церковным государством, его титул патриция приобрел для Рима существенное значение: поддержка, которую он обязался оказывать, стала не только проявлением его воли, она сама по себе принимала характер все усиливающейся власти.
В таком результате первого итальянского похода уже чувствуется то, что впоследствии все более четко проявлялось как характерная особенность действий Карла: исходя из политики своего отца, он продолжал и развивал ее до той точки, до которой позволяли ему силы, в данном случае, до завоевания лангобардского королевства. Благодаря этому завоеванию после непрекращающихся франко-лангобардских раздоров были установлены однозначные отношения. Исчезла помеха в виде промежуточного королевства, которое отделяло франкского короля от Италии, а также упрочилась власть и влияние Карла на полуострове в связи с окончательной победой над лангобардами. С первыми крупными инициативами в Италии Карл уже начал менять карту Европы.