Im Winter 793/94 kam K., nachdem er Weihnachten in Würzburg verbracht hatte, auf dem Main nach Ffm. Als Unterkunft für ihn und den königlichen Hof sowie als Raum für Regierungshandlungen diente vermutlich ein königlicher Wirtschaftshof; der Bau einer Königspfalz in Ffm. ist erst unter dem Sohn K.s, Ludwig dem Frommen, nachgewiesen. Während seines Aufenthalts in Ffm. stellte K. mehrere Privilegien für verschiedene Klöster aus. In einer am 22.2.794 für das Kloster St. Emmeram ausgefertigten Urkunde ist der Name Fft. (Franconofurd – Furt der Franken) erstmals überliefert. K. verbrachte die Osterfeier in Ffm. Auf einer von ihm nach Ffm. einberufenen großen Synode und Reichsversammlung (ab 1.6.794) berieten unter seinem Vorsitz und im Beisein zweier päpstlicher Legaten Bischöfe aus allen Teilen des Reichs über dogmatische Streitfragen und Fragen der Reichs- und Kirchenpolitik. Die Beschlüsse der Ffter Synode betrafen u. a. die Verurteilung der von dem spanischen Bischof Felix von Urgel propagierten Lehre der Adoption des menschlichen Wesens in der Doppelnatur Christi (Adoptianismus), die Ablehnung des auf dem Konzil von Nikäa 787 gefassten Beschlusses über die Bilderverehrung, eine weitreichende Münzreform, das endgültige Urteil gegen Tassilo III. von Baiern und eine Höchstpreisregelung für Getreide; sie wurden in einem 56 Kapitel umfassenden Kapitular zusammengestellt. Während K.s Aufenthalt in Ffm. starb Königin Fastrada (10.8.794), deren Beisetzung in Mainz stattfand. Im Herbst 794 endete K.s Ffter Aufenthalt mit dem Aufbruch zum Sachsenfeldzug.
Die Sage von der Gründung Fft.s durch K. – auf der Flucht vor den Sachsen – geht auf Thietmar von Merseburg († 1018) zurück, entbehrt aber der historischen Grundlage. Auch dass der heutige Ffter Stadtteil Sachsenhausen seinen Ursprung in der von K. betriebenen Ansiedlung sächsischer Gefangener in verschiedenen Teilen des Reichs habe, ist nicht zu belegen.
In einer von Karl IV. ausgehenden zweiten Welle der Verehrung K.s – die erste wurde durch die Heiligsprechung K.s durch Friedrich I. Barbarossa und Paschalis III. (29.12.1165) begründet – wurde in Ffm. der noch heute am 28. Januar (Todestag K.s) gefeierte K.stag (K.samt im Dom) eingeführt. Seit 1398 wurde K. in Ffm. als Nebenpatron des heiligen Bartholomäus verehrt; ein K.saltar (1477) im Dom wurde 1818 abgebrochen.
Neben Aachen bewahrt Ffm. als einer der Hauptorte der Karlsverehrung in Deutschland zahlreiche Denkmäler und Bildnisse K.s, u. a.: Statue K.s (1352/53), früher am Außenportal des südlichen Domquerhauses, heute im HMF. Reliefdarstellung im Chorgestühl des Doms (vermutlich 1352). Münzbild K.s auf der Vorderseite eines in der Reichsmünzstätte Ffm. geprägten Goldguldens (1431), überliefert im HMF. Lebensgroße Sandsteinfigur im Chor des Doms (um 1440). Abbild K.s auf der Bartholomäusglocke von Martin Noll (um 1467; zerstört beim Dombrand 1867). Aquarellierte Federzeichnung im „Liber censuum“ des Bartholomäusstifts (zwischen 1462 und 1590), heute im ISG. Silberfigur K.s im Seitenflügel der möglicherweise von dem Ffter Goldschmied Simon stammenden Monstranz (um 1500) im Domschatz. Bildnis (von Philipp Veit, 1838) im Kaisersaal des Römers. Standbild aus rotem Mainsandstein (nach dem Entwurf von Carl Eduard Wendelstadt, 1841, ausgeführt von Johann Nepomuk Zwerger oder einem seiner Schüler), ursprünglich (seit 1843) auf der Alten Brücke, seit 1914 im HMF (in dessen Hof bei den Märzangriffen 1944 schwer beschädigt, nach Restaurierung und teilweiser Rekonstruktion durch den Bildhauer Edwin Hüller zeitweise [1988-2011] vor dem alten Gebäude des HMF auf dem Römerberg aufgestellt); seit Oktober 2016 steht eine Kopie der Statue (nach einem digitalen Modell unter neuer Teilrekonstruktion, insbesondere des Kopfes, von Andreas Artur Hoferick) auf der Alten Brücke. Darstellung K.s auf dem Wandgemälde „Das Konzil in Fft.“ von Edward von Steinle im Dom (1880; zerstört 1944, Reste 1993/94 wieder freigelegt). Standbild (von Carl Rumpf, nach 1904) am Südbau des Neuen Rathauses über der Durchfahrt in der Limpurgergasse. Rote Sandsteinfigur am ehemaligen Gallustor, heute im HMF. Bronzenes Reiterstandbild (nach einem Modell von Fritz Boehle, 1976) auf dem Carolus-Brunnen am Wendelsplatz.
Anlässlich von K.s 1.200. Todestag 2014 Ausstellung „Die Verehrung des Stadtpatrons“ im Sakristeum des Hauses am Dom in Ffm.
K.straße im Bahnhofsviertel.