La chapelle etait situee au sud du complexe palatial, reliee a la salle de l'Assemblee par une galerie couverte.
C'est le pape Leon III qui, en 805, la consacre en hommage a la Vierge Marie.
Le centre du batiment etait occupe par la chapelle proprement dite. De forme octogonale, elle etait surmontee par une coupole de plus de 16 metres de diametre et d'une hauteur de 31 metres. A l'epoque de sa construction, le dome de la chapelle etait le plus grand au nord des Alpes.
Elle se composait d'un rez-de-chaussee reserve aux serviteurs du palais et de deux niveaux de tribunes.
Le roi prenait place sur un trone de marbre blanc au premier etage. Il etait entoure de ses proches.
La decoration etait somptueuse, le sol en marbre et en pierres polychromes, les portes en bronze et les murs recouverts de mosaique.
Des batiments occupes par les clercs (curie et bureaux) etaient annexes a la chapelle. L'ensemble s'organisait sur le plan de la croix latine. A sa mort en 814, Charlemagne y fut inhume.
Durant 1200 ans, la chapelle va connaitre de nombreuses transformations notamment pour accueillir les visiteurs et les pelerins lors des couronnements des souverains germaniques. Ainsi au Moyen-age un hall est amenage avant le chœur.
Le chœur gothique date de 1355 mais n'a ete consacre qu'en 141. les fenetres hautes de 27 metres sont les plus grandes de cette epoque architecturale.
En 1896, une tour de 74 metres vient complete l'ensemble et c'est en 1930, que la chapelle palatine d'Aix-la-Chapelle est elevee au rang de cathedrale.
La cathedrale abrite un impressionnant mobilier provenant des differents dons des rois et empereurs mais egalement des pelerins. Ainsi on peut y voir un colossal lustre offert par Frederic 1er « Barberousse.
On peut egalement admirer le reliquaire de Charlemagne et la chasse de Sainte Marie datant tous deux du 13eme siecle.