Během války se oženil s Alžbětou Kristinou Brunšvicko-Wolfenbuttelskou. Problém byl pouze v tom, že Alžběta byla protestantka, což bylo ve Španělsku nemyslitelné a Alžběta musela změnit vyznání, což udělala zdráhavě a s nechutí. Svatba se konala v zastoupení v dubnu 1708 ve farním kostele ve Vídni a Karla zastupoval sám císař. Se svou sedmnáctiletou chotí byl spokojen, ale vytouženého dědice trůnu se nedočkal. V roce 1716 se jim narodil syn Leopold, který však po šesti měsících zemřel. Pak následovaly tři dcery: Marie Terezie, Marie Anna a Marie Amálie. V roce 1711 se po smrti bratra Josefa stal rakouským císařem. Tím začal být pro členy dosavadní protifrancouzské koalice nevyhovující jako španělský panovník, neboť by to byl nyní on, kdo by ve svých rukou soustředil příliš velkou moc. Anglie a Nizozemí chtěly zachovat rovnováhu sil v Evropě, Karel se však nároku na španělskou korunu vzdát nechtěl. Nakonec ještě téhož roku odjel do Vídně a nechal se korunovat rakouským císařem, v roce 1713 povolal zpět i svoji manželku. V tomto roce byl také uzavřen Utrechtský mír, jenž potvrdil nástupnictví Filipa V. na španělském trůně (ovšem pod podmínkou, že španělské državy nespojí s Francií) a Karel se definitivně vzdal nároků na španělský trůn. Vládu v dědičných zemích započal vyhnáním 30 000 protestantů ze Salzburgu a po všech zemích nařídil honby na kacíře, které prodával na benátské a turecké galeje.

Velké politické, územní i finanční oběti stálo Karla VI. také mezinárodní uznání pragmatické sankce. Tento zákon, deklarující nedělitelnost habsburské monarchie a nástupnictví ženských potomků v případě vymření Habsburků po meči, vydal Karel VI. roku 1713, kdy ještě počítal s mužským potomstvem. V roce 1720 byla pragmatická sankce schválena stavy. Snaze zabezpečit na mezinárodní scéně nástupnictví dcer, přesněji nejstarší dcery Marie Terezie, padl za oběť i jeden z Karlových významných pokusů o průnik monarchie do sfér koloniálních mocností, kterým byla Východoindická společnost, založená v roce 1718 v jihonizozemském Ostende. Na českého krále se nechal korunovat až v roce 1723. V Praze tehdy strávil čtyři měsíce a do Vídně se vrátil až když jeho choť byla v pokročilém stupni těhotenství a doufal, že se konečně dočká toužebně očekávaného mužského potomka. Avšak jeho naděje se nenaplnily, narodila se dcera Marie Amálie, která po pěti letech zemřela. Za Karlovy devětadvacetileté vlády se začala projevovat vnitřní slabost habsburské monarchie. Územní zisky z úspěšné války s Turky v letech 1716 až 1718 ztratila v dalším střetu na Balkáně o dvacet let později (1737-1738), v polovině 30. let přišla vinou neúspěšného střetu s Francií o některá území v Itálii, ale i tak v těchto dvaceti letech dosáhla habsburská říše svého největšího územního rozmachu ve svých dějinách. Karel chtěl nechat přestavit klášter v Klosterneuburgu jako další císařkou rezidenci. Vystavěn však byl jen jeden dvůr a rezidence tak zůstala torzem. Příčinu není těžké nalézt – chyběly peníze. Dokončena však byla stavba kostela sv. Karla Boromejského před branami Vídně. Dále nechal zbudovat dvorní knihovnu, chtěl ve Vídni zřídit Akademii věd, ale tento plán však zůstal neuskutečněn.

Karel je považován za typicky barokního panovníka a za jeho vlády dosáhlo rakouské baroko největšího rozmachu. Karel se také zajímal o ekonomiku a dbal na hospodářský rozvoj říše (např. chtěl odstranit cla uvnitř říše) , ale k uskutečnění plánů mu chyběla vůle a vytrvalost. Zřídil obchodní rady pro Čechy, Rakousko a Slezsko a centrální obchodní kolegium ve Vídni. Nechal zbudovat silnice přes Semmering a Loibelský průsmyk, v Terstu byl zřízen svobodný přístav, zestátnil poštu atd. Osobnost a povahu Karla VI. značně poznamenal jeho pobyt ve Španělsku. Ve Španělsku se Karel obklopil dvorem, který stál víc peněz, než jich bylo k dispozici. Král pořádal operní představení, nákladné slavnosti a vůbec žil nákladným životem. Takový styl života se však od něj jako od barokního knížete žádal. Vyhovoval mu španělský dvorský rituál, který zdůrazňoval majestát panovníka a který svazoval vídeňský dvůr do naprosto nepřirozené strnulosti. Císař Karel VI. byl velmi zbožným katolíkem, za jeho vlády se v českých zemích rozpoutala další nová vlna rekatolizace, směřující hlavně proti všem nekatolickým vlivům působícím na Čechy a Moravu z území Pruského království. Tato nová evropská mocnost se v době Karlovy vlády začala stávat zjevným a nebezpečným rivalem monarchie. Karel VI., který zůstal posledním mužským příslušníkem habsburské dynastie, zemřel v říjnu roku 1740 a byl pohřben v blízkosti svých rodičů a bratra Josefa I. v kryptě u vídeňských kapucínů.