Charlemagne bắt đầu xây dựng Nhà nguyện Palatine vào khoảng năm 796,[2] song song với việc xây dựng phần còn lại của cung điện.[3] Công trình được thiết kế bởi kiến trúc sư Odo của Metz và ngày hoàn thành là chưa rõ ràng. Tuy nhiên, một bức thư của học giả Alcuin vào năm 798 nói rằng nó đã gần hoàn thành, Giáo hoàng Lêô III đã thánh hiến nhà thờ.[4] Một xưởng đúc đã được đưa tại Aachen đã được hình thành vào gần cuối thế kỷ thứ 8 và được sử dụng để đúc nhiều mảnh đồng từ cửa ra vào, lan can cho đến tượng ngựa và gấu.[5][nb 1] Charlemagne được chôn cất trong nhà nguyện vào năm 814.[1] Nó chịu thiệt hại lớn trong một cuộc đột kích của người Viking năm 881 và được phục hồi vào năm 983.

Sau khi Friedrich Barbarossa liệt Charlemagne vào hàng thánh vào năm 1165, nhà nguyện trở thành nơi thu hút khách hành hương.[1] Để duy trì dòng người hành hương khổng lồ trong thời kỳ Gothic, một hội trường hợp xướng đã được xây dựng năm 1355,[6] và một nhà nguyện kính ("Capella vitrea") có hai phần được thánh hiến trong lễ kỷ niệm 600 năm ngày mất của Charlemagne.[1] Một vòm bát úp, một số nhà nguyện khác và một gác chuông cũng được xây dựng vào những khoảng thời gian sau đó. Nó đã được khôi phục lại vào năm 1881 khi những trang trí tường Baroque được gỡ bỏ.[7]

Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, thành phố Aachen bao gồm cả nhà thờ nổi tiếng của nó đã bị thiệt hại nặng nề bởi các cuộc tấn công ném bom và pháo kích của quân Đồng minh, nhưng cấu trúc cơ bản của nhà thờ vẫn tồn tại. Nhiều đồ vật nghệ thuật của nhà thờ đã được gỡ bỏ để lưu trữ ở nơi an toàn trong chiến tranh, và một số đồ vật không thể di chuyển được bảo vệ trong chính nhà thờ. Tuy nhiên, cửa kính của hội trường hợp xướng có niên đại thế kỷ 14, bàn thờ Tân Gothic, một phần lớn của hàng hiên nhà thờ và Nhà nguyện Đức giáo hoàng (Heiligtumskapelle) đã bị phá hủy và không thể cứu vãn được. Tái thiết và phục hồi đã diễn ra không liên tục trong hơn 30 năm và chi phí ước tính khoảng 40 triệu euro. Năm 1987, nhà thờ là một trong số 12 địa điểm đầu tiên được UNESCO công nhận là Di sản thế giới.