Die Geschichte des heutigen Doms nimmt vor mehr als 1200 Jahren ihren Anfang, als Karl der Große beschließt, Aachen zur Pfalz auszubauen.
In den Jahren 786 bis 805 n. Chr. schufen die aus allen Teilen des Reiches nach Aachen berufenen Handwerker hier die prächtigste Pfalzanlage des Mittelalters. Karl der Große erhob Aachen zum Mittelpunkt seines Reiches, das fast das gesamte christliche Abendland umfasste. Aachen galt in jener Zeit als das Rom nördlich der Alpen.

Zentrales Bauwerk dieser einzigartigen Pfalz war das karolingische Oktogon, Kernbau des heutigen Domes. Diese Kapelle war nicht nur sichtbares Zeichen des tiefen und frommen Glaubens des Frankenkönigs, sondern auch ein Zeugnis seiner weltlichen Macht. Mit dem Bau dieser Kirche wollte Karl der Große sein Streben nach einer Erneuerung des römischen Reiches auf der Grundlage der Antike und des Christentums hervorheben.
Die Pfalzkapelle in Aachen war zugleich eine bauliche Pionierleistung. Mit diesem Bauwerk wurde erstmals nördlich der Alpen ein Gebäude errichtet, dessen Dimensionen sowohl in der Form, im Ausmaß sowie in der Ausführung bislang ausschließlich römischen Bauten vorbehalten war. Für vier Jahrhunderten blieb die Pfalzkapelle Karls des Großen in Aachen das Bauwerk mit der höchsten Kuppel und der weitesten Gewölbeverbindung aus Stein diesseits der Alpen.
Bereits zur Zeit seines Vaters Pippin gab es an der Stelle, an der Karl die Kapelle erbauen ließ, eine Kirche. Der alte Altar markierte nicht nur den Ort für den neuen Altar, sondern von ihm gingen auch die Vermessungen für die gesamte Pfalzanlage aus. Entgegen des römischen Bebauungsschemas ließ Karl aber eine Richtungskorrektur vornehmen. Da am Tage des Weltunterganges Christus als Richter aus der Heiligen Stadt Jerusalem kommen wird und diese östlich liegt, wurden die Achsen verschoben, um eine genaue Ost-West-Ausrichtung zu erreichen.
Die Planung zum Bau der Pfalzkapelle erfolgte nach einer strengen Zahlensymbolik und beruhte auf biblische Maßzahlen. So sind Breite, Länge und Höhe der karolingischen Kirche gleich. Die Pfalzkapelle Karls nimmt damit direkten Bezug auf das Abbild des himmlischen Jerusalems, das Johannes in seiner Apokalypse beschreibt. Auch hier stimmen Länge und Breite überein.
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.
Während die nahe Umgebung das meiste Baumaterial lieferte, wurden kostbare Ausstattungsstücke der Kirche von weither nach Aachen transportiert. Alkuin, ein Angelsächsischer Gelehrter, der seit 782 am Aachener Hof lebte, berichtet in einem Schreiben an Karl aus dem Jahre 798, dass die Aufstellung der Marmorsäulen im Oktogon im Wesentlichen abgeschlossen sei. Die Säulenstellung hat im Übrigen keine statische Funktion, sondern dient ausschließlich der Ausschmückung der Kirche. Karl hatte die kostbaren Marmorsäulen aus Rom über die Alpen nach Aachen schaffen lassen. In Aachen waren sie Symbol des römischen Kaisertums und bestimmten diesen Ort zum neuen Rom nördlich der Alpen.

Doch Karl der Große ließ in Aachen nicht nur prächtige Bauten errichten, sondern widmete sich hier auch der Bildung, indem er eine Hofschule gründete. Kirchliche wie weltliche Repräsentanten, Gelehrte und Dichter, Maler und Handwerker, sie alle aus dem gesamten Reich nach Aachen kommend bildeten einen kulturellen Zirkel, den es in einer solchen Zusammensetzung nördlich der Alpen niemals zuvor gegeben hat.
Die Fülle und der Reichtum dieser hier versammelten Kulturen finden vor allem in den in der Hofschule Karls des Großen geschaffenen sakralen Prachthandschriften ihren Ausdruck. Aus der Aachener Hofschule sind zu Lebzeiten Karls des Großen nicht weniger als neun Hauptwerke erhalten, unter ihnen das bedeutende karolingische Evangeliar, das auch heute noch in der Domschatzkammer gehütet wird, sowie das Godescalc-Evangeliar, das als erste Handschrift überhaupt aus dem Auftrag eines weltlichen Herrschers, nämlich Karls des Großen, hervorging.

Am Morgen des 28. Januar des Jahres 814 verstarb Karl der Große nach kurzer Krankheit vermutlich an einer Brustfellentzündung in Aachen. Obschon der Herrscher bereits lange vor seinem Tode verfügt hatte, neben seinem Vater in St. Denis beigesetzt werden zu wollen, bestand zunächst offensichtlich Unklarheit über die Begräbnisstätte. Nach entsprechender Beratung der Würdenträger am Aachener Hof wählte man die von Karl erbaute Marienkirche in Aachen als den würdigsten Bestattungsort für den Herrscher. Wohl noch am gleichen Tage fand Karl der Große seine letzte Ruhe in einem Erdgrab des offenen Westturms vor dem Eingang zum Oktogon.