Управлял страной единолично, не повинуясь номинально царствующим королям из династии Меровинговсер. V751. После смерти в 737 г. короля Теодориха IV720(721) вообще оставил престол незанятым.

В первые годы своего правления Карл вынужден был вести борьбу с восставшими против него феодалами Нейстрии (центральная часть страны — долины Сены и Луары), чуть позже — с герцогами Прованса и Аквитании. Восстания были подавлены, а земли мятежных феодалов конфискованы. Этот земельный резерв предоставил Карлу возможность проведения бенефициальной реформы. Участки земель предоставлялись теперь феодалам в качестве бенефициев — в пожизненную собственность и только при условии военной службы феодала в королевских войсках. При неисполнении службы земли изымались. Наследники могли получить бенефиций только на тех же условиях. Этот подход надолго сменил практику дарения земли в качестве аллодов — в безусловную собственность. Когда земельные фонды в очередной раз истощились, Карл Мартелл провел частичную секуляризацию церковных земель и продолжил раздачу бенефициев уже за счет Церкви. Церковные иерархи, которых такое положение не устраивало, были его властью заменены. Бенефициальная реформа позволила Карлу создать мощную армию. Конница, для службы в которой необходимы были значительные средства, сделалась теперь ядром франкского войска. Это, быть может, стало решающим фактором в противостоянии арабской экспансии.

Конница арабов впервые вторглась на территорию Галлии в 720 г. Арабы, уже захватившие к этому времени Испанию, взяли теперь Нарбонну и осадили Тулузу. Все последующее десятилетие продолжалась борьба с арабским нашествием. Некоторые феодалы, как, например, герцог Аквитании Одон, перешли на сторону захватчиков. Но, наконец, в битве под Пуатье732 франкская конница нанесла арабской столь серьезный урон, что арабы вернулись в Испанию и прекратили продвижение к северу от Пиренеев. Франки, таким образом, защитили Европу от арабского завоевания. Считается, что именно после этой битвы Карл получил прозвище «Мартелл» («Молот»).

Активной была внешняя политика Карла Мартелла и на других направлениях. В 725 и 728 гг. он предпринял два похода в Баварию, в результате которых та была подчинена его королевству, хотя и продолжала автономно управляться своим герцогом. В начале 730-х гг. Карл Мартелл завоевал Алеманнию, уже входившую в прошлом в состав Франкского государства. В 733 и 734 гг. он покорил земли фризов, сопровождая завоевание активным насаждением христианства среди них. Известно его покровительство миссионерской деятельности св. Бонифация — «апостола Германии» в германских землях. Неоднократно (в 718, 720, 724, 738 гг.) он совершал походы за Рейн, против саксов, облагал их данью, но ни о каком присоединении Саксонии пока не могло быть и речи.

Перед смертью Карл Мартелл разделил Франкское королевство между двумя своими сыновьями Карломаном и Пипином Коротким74168: первый из них получил майордомство в Австразии, Швабии и Тюрингии, второй — в Нейстрии, Бургундии и Провансе.