La dinastía deriva del matrimonio de los hijos de Arnulfo de Metz y Pipino el Viejo, ambos descritos por Fredegario como los señores más importantes de Austrasia. La familia consolidó su poder desde el segundo tercio del siglo VII, cuando consiguió que el oficio de mayordomo de palacio fuese hereditario. De esta forma, se convirtieron en los verdaderos gobernantes de los francos; mientras que los reyes merovingios quedaron reducidos a un papel nominal.
El mayordomo de palacio Pipino el Breve (hijo de Carlos Martel y descendiente de Pipino el Viejo) logró destronar a su rey merovingioChilderico III y ser reconocido rey de los francos con apoyo del papa. Pipino fue sucedido en el trono franco por Carlomagno y Carloman I. El primero, años más tarde, expandiría su poder por gran parte de Europa Occidental y sería coronado emperador por el papa en la Navidad del año 800 en Roma. En esta dinastía aparece el Imperio carolingio, como es llamado por los historiadores el vasto territorio que unió Carlomagno bajo su reinado, un periodo derivado de la política de Pipino y Carlomagno. Este imperio se disgregó pocas décadas después tras la muerte del hijo de Carlomagno, Luis I el Piadoso o Ludovico Pío, cuando los tres hijos de este (Carlos, Lotario y Luis) se repartieron el imperio mediante el Tratado de Verdún (843). El poder de la dinastía entonces fue disminuyendo. La parte media, tras ser disgregada, se incorporó a la zona oriental. Los carolingios de la parte oriental se extinguieron con la muerte en 911 de Luis el Niño y en su lugar se estableció la dinastía sajona desde 919. Y la rama occidental de los carolingios se extinguió entre 888 y 987, y a partir de esa fecha se establecieron finalmente los Capetos en el trono de los francos.
Los sucesores de Carlomagno no pudieron combinar los elementos políticos y la costumbre germánica de dividir el territorio entre todos los hijos del soberano. El Imperio de Carlomagno se basaba sobre la lealtad de los condes que gobernaban las distintas regiones hacia su persona y en las riquezas que derivaban de las conquistas. Su sucesor afrontó tres guerras civiles originadas por sus hijos que debilitaron el poder central; con lo cual, el territorio que había constituido el imperio de Carlomagno se disgregó en menos de cinco décadas, en medio de las guerras intestinas y los ataques de los nórdicos, dando paso al pleno auge del feudalismo.
Durante años, la Dinastía Carolingia desarrolló un arte propio de gran influencia en Europa, pues el Imperio Carolingio fue centro de la política europea durante décadas. La cultura carolingia también gozó de gran prestigio, y los historiadores hablan de un verdadero «renacimiento carolingio», basado sobre la difusión cultural y sobre la enseñanza en las escuelas de la época. El estilo arquitectónico de la época, que era una forma del arte prerrománico, también se denomina «estilo carolingio».