Mit dem Bau der repräsentativen Pfalz erfüllte sich Karl der Große einst seinen Traum eines „neuen Roms“ in Aachen. Unbestrittener Mittelpunkt war stets die Marienkirche, der Aachener Dom. Seine heutige Gestalt erhielt er jedoch erst im Verlauf einer mehr als 1.200-jährigen Geschichte.
Um 800 wurde das Oktogon, der Kern des Doms, nach dem Vorbild byzantinischer Palastkirchen errichtet. Die innere Höhe von über 31 Metern war seit der Römerzeit im Norden einmalig und blieb bis zur Hochromanik unübertroffen. Bevor weitere Elemente dem Zentralbau hinzugefügt werden konnten, wurde die Marienkirche (Pfalzkapelle) zur Begräbnisstätte Karls des Großen († 814). Die Gebeine des inzwischen heiliggesprochenen Herrschers ruhen noch heute im Karlsschrein des Aachener Doms.
Weitere Bauten wurden im 14. und 15. Jahrhundert errichtet: die gotische Chorhalle (von den Aachenern auch das „Glashaus von Aachen“ genannt) und die Kapellen auf der Nord- und Südseite. Während die heutige Ungarische Kapelle und der Portalvorbau im 18. Jahrhundert hinzukamen, wurde im späten 19. Jahrhundert der Westturm ausgebaut. Der Aachener Dom, der 1978 als erstes deutsches Denkmal in die Liste des UNESCO-Weltkulturerbes aufgenommen wurde, gehört heute zu einem der bedeutendsten Kulturdenkmäler von europäischem Rang und ist eines der besterhaltenen Baudenkmäler der Karolingerzeit.
Neben seiner Bedeutung als Begräbnisstätte Karls des Großen war der Aachener Dom zwischen 936 und 1531 auch Krönungsort der römisch-deutschen Könige und letzte Ruhestätte für Kaiser Otto III († 1002). Im Laufe des Mittelalters wurde er zudem zu einer der bedeutendsten Wallfahrtsorte der Christenheit. Seit 1349 lockt die Aachener Heiligtumsfahrt alle sieben Jahre Pilger aus aller Welt in die Stadt Karls des Großen, die seit 1930 Bischofssitz ist. Gezeigt werden die Aachener Stoffreliquien, die der Überlieferung nach als das Kleid Mariens, die Windeln Jesu, das Enthauptungstuch Johannes des Täufers und das Lendentuch Christi verehrt werden.
Weitere einzigartige Zeugnisse der ehrwürdigen Geschichte der Marienkirche Karls des Großen birgt die angrenzende Domschatzkammer. Diese gilt als die bedeutendste kirchliche Schatzkammer nördlich der Alpen und beherbergt beeindruckende Exponate wie das Lotharkreuz, die Karlsbüste oder den Proserpinasarkophag.