Korai éveiről keveset tudunk, bár valószínűleg nagyapja, Nagy Károly udvarában teltek 815-ig, amikor is trónra lépő apja kinevezte őt bajor királlyá. Amikor 817-ben Jámbor Lajos jelképesen felosztotta fiai között az örökségét, Lothárt császárrá koronáztatta Aachenben (francia nevén Aix-la-Chapelle-ben), és megadta neki a főhatalmat öccsei, Pipin és Német Lajos felett, akik Aquitániát és Bajorországot örökölték. Lothár fejére tették Lombardia vaskoronáját is, melyet eddig apai unokatestvére, Bernárd viselt. Amikor Bernárd meghalt, Lothár szerezte meg a hatalmat az itáliai királyságban. 821-ben elvette Tours-i Ermengarde-ot (?-851), Hugótours-i gróf lányát. 822-ben ténylegesen kezébe vette Itália kormányzását, és 823. április 5-énI. Paszkál pápa ismét császárrá koronázta Rómában. 824 novemberében kihirdette, hogy a császár a pápával egyenrangú egyházi vezető, így jogot formált Itália püspökeinek kinevezésére.
Amikor visszatért apja udvarába, mostohaanyja, Welf Judith elnyerte a támogatását azon terveire, hogy királyságot szerezzen fiának, az újszülött Kopasz Károlynak; a cselszövésre, amelyet 829-ben hajtottak végre, amikor a kis herceg Alemannia királya lett. Lothár azonban hamarosan megváltoztatta terveit, és seregekkel indult apja ellen, hogy meghódítsa az egész birodalmat. A hadiszerencse szerint váltakozva hol a birodalom tényleges ura volt, hol nem, mígnem száműzték Itáliába, és megfosztották minden egyéb birtokától. Hamarosan azonban ismét fegyvert fogott, és testvéreivel szövetségben apjuk ellen támadt.
Az első lázadás 830-ban kezdődött. Mind a három testvér Jámbor Lajos ellen fordult, aki azonban legyőzte őket. 831-ben Jámbor Lajos visszaszerezte trónját, és megfosztotta Lothárt császári rangjától. Ezen felül Itáliát is Kopasz Károlynak adta. A második felkelést 833-ban II. Angilber milánói érsek is támogatta, de Lajos ismét győzött, és a következő évben (834) megbosszulta sérelmeit. Lothár visszatért Lombardiába, és a császári címet meghagyta az apjának.
Önálló császársága
Amikor Jámbor Lajos 840-ben meghalt, Lothárra hagyta a császári jelképeket, aki így az egész birodalmat örökölte.
Testvéreivel, Lajossal és Károllyal folytatott tárgyalásai, akik mindketten fegyverrel indultak ellene, ahhoz vezetett, hogy fiatalabb testvérei szövetséget kötöttek egymással Lothár ellen. A döntő csatát Fontenay-en-Puisaye-nél vívták 841. június 25-én, ahol Lothár és unokaöccse, II. Pipin aquitániai király bátorsága ellenére seregeik vesztettek, és a császár Aachenbe szorult vissza. Új sereget szervezett, és fosztogató hadjáratot indított, de Károly és Lajos seregei túl erősnek bizonyultak. A háború odáig fajult, hogy Lothár kénytelen volt elhagyni fővárosát.
Hamarosan megkezdődtek a béketárgyalások, és 842 júniusában a fivérek Saône szigetén találkoztak, és megkötöttek egy megállapodást, mely a 843. augusztusi verduni szerződéshez vezetett. Lothár megőrizte császári címét és egy földsávot Németalföld és Észak-Itália között, nagyjából a Rajna és a Rhône folyók mentén. Hamarosan legidősebb fiára, II. Lajos római császárra hagyta Itáliát, és az új királyságába ment, hogy fivéreivel kibékülve harcoljon közös ellenségeik, a vikingek és a szaracénok ellen, akik földjeiket fenyegették.
855-ben súlyosan megbetegedett. A felgyógyulás reménytelensége miatt felosztotta királyságát három fia között, és szeptember 23-án visszavonult Prüm kolostorába, ahol hat nap múlva elhunyt. Maradványait 1860-ban találták meg Prümben.