Noch unter Karls Vater Pippin wurde in Aachen ein kleines christliches Gotteshaus erbaut, über dessen Altar sich nun Kaiser Karls gegen Ende des 8. Jahrhunderts die Pfalzkapelle erhob. 798 wurden die kostbaren antiken Säulen (nach byzantinischen Vorbildern) in der Kirche aufgestellt. Der Bau Karls des Großen ist der Kern des heutigen Aachener Domes. Erhalten ist der Westbau mit der ursprünglich offenen Eingangshalle, die Kaiserloge im Obergeschoss (über 30 Könige bestiegen diesen Thron) und die beiden Wendeltreppentürme sowie die achteckige Kuppelbau. Der innere Umfang des Oktogons weist 12 x 12, also 144 karolingische Fuß auf. Die Zwölf verweist in der Bibel auf die zwölf Stämme Israels, die zwölf Apostel und auf die zwölf Monate eines Jahres. Die Kirche ist als Achteck mit einem sechzehneckigen Umgang konzipiert. Die Zahl Acht gilt als heilige Zahl und symbolisiert Harmonie und Vollkommenheit. Im Mittelalter bezieht man die Acht auf den Tag der Auferstehung Christi. Ca. 813 wurde der Zentralbau des heutigen Doms abgeschossen.

Die Pfalzkapelle hat sich im Laufe der Jahrhunderte verändert. Hauptsächlich die im 15. Jahrhundert angefügten Kapellen (Matthiaskapelle 1414, an der Südseite die Annakapelle 1449 und die Ungarische Kapelle 1367 und 1756 - 1767, an der Nordseite sind bis heute die Karls-/ Hubertuskapelle 1455 - 1474 und die Nikolaus-/ Michaelskapelle 1487) die sich kranzförmig um den karolingischen Zentralbau legen.

Im Januar 1414 (nach 60 Jahren Bauzeit) wurde die mit über 1000 qm Glasfläche, 37 Meter Länge, 21 Meter Breite und 33 Meter Höhe neue Chorhalle geweiht.

Am 28. Januar 814 wurde Karl der Große in seiner Marienkirche bestattet. Kaiser Friedrich I. Barbarossa (+1190) veranlasste ca. 350 Jahre später die Heiligsprechung Karls des Großen. Dabei wurden die Gebeine Karls im Jahre 1215 in den Karlsschrein umgebettet.