C'est en tant que dernier fils survivant que son père Charlemagne donne à Louis le titre d'empereur d'Occident, en automme 813 à Aix la Chapelle.

« Au mois de septembre de cette même année (813), le susdit empereur Charles réunit une grande assemblée du peuple au palais d'Aix. Venant de tout son royaume et empire s'assemblèrent évêques, abbés, comtes, prêtres, diacres et assemblée des Francs auprès de l'empereur à Aix ; et là ils élaborèrent quarante-six chapitres sur ce qui était nécessaire à l'Église de Dieu et au peuple chrétien. Ensuite se tint une assemblée avec les dits évêques, abbés, comtes et nobles du royaume franc, et ils firent de son fils Louis un roi et un empereur. Ce à quoi tous consentirent pareillement, déclarant que cela était justifié ; et cela plut au peuple, et avec le consentement et l'acclamation de tout le peuple, il fit son fils Louis empereur avec lui, et il perpétua l'empire par la couronne d'or, le peuple acclamant et criant : Vove l'empereur Louis ! Et ce fut une grande joie dans le peuple ce jour-là. »

L'empire ne sera donc pas découpé, comme il était coutume de le faire à l'époque. En octobre 816, il est sacré par le pape Étienne IV à Reims.