La Capilla Palatina es un edificio de dos plantas coronado por una cúpula. Su planta, como corresponde a un edificio destinado a albergar una importante reliquia religiosa en su interior, es una planta centralizada, formada por un octógono circundado por un hexadecágono.Entre ambos polígonos se forma un deambulatorio, delimitado por columnas.

El edificio está inspirado en la iglesia bizantina de San Vital de Rávena mandada construir por el emperador Justiniano I en el siglo VI y que Carlomagno había conocido y admirado. El arquitecto de la Capilla fue el franco Eudes de Metz, aunque contó con numerosos artesanos procedentes de Italia y del Imperio Bizantino para la realización de la obra.

La Capilla Palatina de Aquisgrán fue el más claro exponente artístico del poder político alcanzado por Carlomagno, al frente del Imperio Franco a principios del siglo IX. Como una expresión del ideal imperial de Carlomagno, la capilla fue decorada con suntuosos mosaicos, mármoles y bronces e incluso columnas, que fueron expoliadas de edificios de las viejas capitales imperiales: las ciudades de Rávena y Roma.

Esta reutilización de elementos directamente relacionados con las viejas capitales imperiales puede entenderse como un intento de entronque con la tradición imperial romana, cuya renovación y recuperación pretendía Carlomagno. El resultado artístico es una mezcla de estilos clásico, bizantino y franco-germánico.

Las columnas originales fueron expoliadas durante la ocupación francesa en las Guerras Napoleónicas y llevadas a París. Algunas fueron recuperadas, pero muchas de ellas debieron ser reconstruidas totalmente a partir de 1840, utilizándose para ello granito de Asuán.