Незадовго до своєї смерті 16 грудня 714 року майордом Австразії Піпін Герістальський своїм спадкоємцем призначив малолітнього внука Теодоальда, який став правити при регентстві своєї бабки Плектруди. Її зусиллями обділений спадщиною 26-літній пасинок Карл — син Піпіна від іншої дружини (чи конкубіни) Альпаїди — був ув'язнений у Кельні, але восени наступного року зміг звільнитись, коли повсталі проти Плектруди дворяни Нейстрії розбили її війська під Комп'єном.
По смерті того ж року короля Дагоберта III з династії Меровінгів Держава франків ще більше занурилась у протистояння, в ході якого Карл, визнаний знаттю майордомом Австразії, у битві біля Венсі під Камбре наголову розгромив нейстрійців майордома Раґенфреда і їх союзників фрізів на чолі з герцогом Радбодом. У піку прихильному до них королю Хільперіку II, що сидів у Суассоні, 28 червня 717 року Карл у Кельні проголосив королем Хлотара IV, правління якого, правда, виявилось недовгим — наступного року він помер, як і заслана до монастиря переможена Плектруда.
У наступні роки Карл як майордом Австразії і Нейстрії упокорював фрізів і саксів, приєднав Тюрінгію, по смерті Хільперіка II 13 лютого 721 року посадив на престол Теодоріха IV, сина Дагоберта III, під формальною владою якого Королівство франків знову було об'єднане в єдину державу, після чого розгорнув активну діяльність на сході, де успішно воював проти алеманів і баварців. Коли ж над південними кордонами Галлії нависла загроза арабської експансії з-за Піренеїв, Карл відгукнувся на прохання про допомогу герцога Аквітанії Еда Великого, і в 732 році між Туром і Пуатьє розбив війська Кордови валі Абд-ар-Рахмана.
Переконлива перемога, за яку, як стверджує легенда, Карл отримав прізвисько Мартел — «молот» окситанською, ще більше зміцнила його одноосібну владу, вогнем і мечем поширену на Орлеан, Тур, Ліон і всю Бургундію.
Реорганізувавши військо за арабським зразком, коли на зміну ополченню, яке збиралось у міру необхідності і фінансувалось з королівської скарбниці, прийшли військовозобов'язані власники бенефіцій, наділені секуляризованою і конфіскованою землею, Карл Мартел здійснив успішні походи аж до устя Рони, що впадає в Марсельску затоку Середземного моря, і відвоював у арабів Авіньйон.
По смерті у 733 році Еда Великого, Карл захопив Бордо і кілька років розорював Аквітанію, щоб змусити її нового герцога Гунальда I присягнути йому на вірність. У 737 році він остаточно приєднав до Держави франків Прованс і північ Септиманії. Весною того ж року помер Теодоріх IV, але призначати нового короля Карл Мартел не став, вважаючи краще правити державою як «герцог і принцепс франків» навіть без формального представника вже геть занепалої династії Меровінгів на троні. «Майже королем» назвав його у листі папа Григорий III, просячи у 739 році свого «видатного сина» захистити Рим від лангобардів, на що Карл Мартел відповів відмовою, вважаючи за краще завершити кампанію проти саксонців у Вестфалії і в союзі з тими ж лангобардами придушити повстання провансальської знаті, невдоволеної його жорстким правлінням.
Помер Карл Мартел у зеніті слави і могутності 15 чи 22 жовтня 741 року десь на 53-у році життя після майже чверті століття одноосібного правління Державою франків. Його тіло з К'єрзі у Пікардії перевезли в Сен-Дені під Парижем, де поховали в королівській базиліці, яку він сам визначив місцем свого останнього спочину. У кінці XIII століття, за правління Людовика IX Святого, останки Карла Мартела були там же урочисто перепоховані і накриті мармуровою ефігією.
Ще за життя Карл Мартел розділив свою спадщину між синами: старший Карломан отримав Австразію, Алеманію та Тюрингію, молодший Піпін, відомий в історії як Короткий, — Нейстрію, Бургундію і Прованс. Щоб запобігти заколоту їх зведеного брата Грифона, якому дістались лиш невеликі наділи, розкидані у різних частинах королівства, Карломан і Піпін захопили його в Лаоні і ув'язнили в монастирі у Кастелумі (нині Вокс-су-Шевремон біля Льєжа у Бельгії), а його матір Свангільду, доньку баварського герцога Теобальда, змусили прийняти чернечий постриг в абатстві Мо під Парижем, де вона провела решту свого життя.
У 742 році Карломан і Піпін разом успішно воювали в Аквітанії, яку розорили аж до Тура і Буржа, після чого спустошили Алеманію і Баварію, які намагались вийти з-під сюзеренітету Держави франків. Наступного року вони посадили на трон 18-літнього Хільдеріка III, якого оголосили сином Хільперіка II, і вже від його імені здійснювали успішні походи в Саксонію.
У 747 році Карломан, котрий близько переймався справами Церкви, яку реформував за англійським зразком, добровільно відмовився від влади майордома Австразії на користь свого сина і відправився паломником до Риму. Дізнавшись, що на початку 750-х років він постригся у ченці у монастирі Монтекассіно, Піпін з благословіння папи Стефана III усунув з престолу останнього короля Меровінгів як того, «хто не користується королівською владою«. На скликаних у листопаді 751 року в Суассоні загальних зборах франкської знаті він був проголошений королем, ставши першим монархом з династії Каролінгів, яка веде свою назву від імені його владного батька Карла Мартела. За правління його сина Карла, внука Карла Мартела, що зійшов на трон через двадцять років, Держава франків сягнула такої могутності, що з волі Папської держави, створеної руками франків, він отримав титул імператора римлян, який мав символізувати неперервність лінії західно-європейських правителів від першого принцепса Риму Октавіана Августа.