La mort de Pépin entraîne ensuite un nouveau partage.
Louis le pieux meurt en 840, et est enterré à Metz.
Lothaire, à présent seul empereur, prétend placer ses frères sous sa dépendance ; Louis le Germanique et Charles le Chauve s'unissent donc contre lui, et le battent, le 25 juin 841, à Fontenoy-en-Puysaye. Ils se prêtent au serment de Strasbourg en 842, et à Verdun en 843, signent un traité. L'année suivante, ils imposent un nouveau partage à leur aîné.

Le fils aîné de Louis le pieux, Lothaire 1er, reçoit la dignité impériale en 817, et est sacré empereur en 823 par le pape Pascal 1er, qu'il soumet.

Son père avait épousé en secondes noces Judith, et avait eu d'elle un autre fils : Charles le Chauve.
Pour doter ce dernier, Louis avait voulu faire un nouveau partage, ce que n'acceptait pas Lothaire.
Entraînant ses frères Pépin et Louis, ce dernier prit la tête d'une révolte contre celui-ci. Il contraint même son père à abdiquer, en 833 ; mais, abandonné par ses partisans, il doit implorer son pardon, en 834.

Installé à Aix la Chapelle, Lothaire 1er envoie son fils Louis et son oncle Drogon lutter contre les Sarrasins, tandis que lui-même doit faire face aux normands, en Frise. En Italie, Louis est sacré par le pape Serge II et devient Louis II. Les relations entre Lothaire Ier et ses frères restent précaires.

En 854, l'empereur conclut une alliance solennelle avec Charles le chauve, dirigée contre Louis. Il partage, peu avant sa mort, ses terres entre ses fils, et se retire à l'abbaye de Prüm, où il meurt peu après, en 855. Lothaire II reçoit le pays qui s'étend de la Mer du Nord à Genève, et qui prend le nom de Lotharingie.
Il multiplie les alliances maladroites, en s'associant d'abord à son frère Louis II contre son oncle Charles le chauve, puis avec ce dernier contre lui ! En 863, à la mort de son second frère, Charles de Provence, il unit Lyon, Arles et Vienne à la Lotharingie.

Lothaire II meurt en 869, alors qu'il se rendait à Rome, pour tenter de faire fléchir le pontife qui menaçait de l'excommunier. Ses oncles se partagent, lors du traité de Meersssen, en 870, la Lotharingie.

En 925,elle tombe aux mains du roi de Germanie et en 959, elle est coupée en deux duchés : la Basse Lorraine et la Haute Lorraine, appelée aussi Mosellane, qui couvre le territoire actuel de la Lorraine, avec Trêves et une partie du Luxembourg en plus.