Kernstück des Doms, ebenfalls Station der Route Charlemagne, ist die Marienkirche Karls des Großen von 803. Als achteckiger Zentralbau von 30 m Höhe orientiert sie sich an antiken und byzantinischen Vorbildern. Filigrane Säulenarkaden öffnen das Oktogon zum sechzehneckigen Umgang, Gewölbe und Wände sind mosaikgeschmückt. Der vergoldete Radleuchter ist ein Geschenk Friedrich Barbarossas von 1180. Auf der Westempore steht der Aachener Thron, er gehörte vermutlich Karl dem Großen, später spielte er bei den Königskrönungen eine Rolle. Im Westen schließt sich die karolingische Vorhalle mit Treppentürmen und Bronzeportal an. Im Osten öffnet sich der gotische Chor von 1414, dessen 32 m hohes Gehäuse fast ganz aus Fenstern mit Glasmalereien besteht. Der goldene Karlsschrein von 1215 birgt die Gebeine Karls des Großen, im Bodengrab ruht Otto III. Und den Hochaltar schmückt eine goldene Altarplatte aus dem frühen 11. Jh. Die Domschatzkammer bewahrt den römischen Proserpina-Sarkophag, in den Karl der Große ursprünglich gebettet war, zudem die silberne Karlsbüste und das Lotharkreuz.
