Conflict met het pausdom
Frederick’s zorg voor Zuid-Duitsland en Bourgondië betrok hem echter bij het nabijgelegen Italië. Hij is door veel historici streng veroordeeld voor zijn acties in dit gebied. Maar het is moeilijk in te zien hoe hij zijn belangstelling voor dit deel van het rijk had kunnen vermijden, waar sedert de dagen van keizer Hendrik V (regeringsperiode 1106-1125) de Duitse heersers weinig rol hadden gespeeld en zowel de noordelijke steden van Italië als het pausdom zich betrekkelijk ongestoord hadden kunnen ontwikkelen. Nu veranderde dit alles.
Paus Adrianus IV, in onmin met zijn machtige vazal en beschermheer de Normandische koning van Sicilië, Willem I, vroeg Frederik om hulp bij het uit de weg ruimen van Arnold van Brescia, een religieuze hervormer die zich meester had gemaakt van de stad Rome. In 1154-1155 beantwoordde Frederik dit verzoek door op te rukken naar Rome en Arnold gevangen te nemen en te executeren. In ruil daarvoor werd hij door de paus tot keizer gekroond. Frederik stond echter duidelijk weigerachtig tegenover de schijnbare ondergeschiktheid die deze ceremonie met zich meebracht.
In 1157 waren paus en keizer definitief uit elkaar, want toen Frederik een dieet hield in Besançon in Bourgondië, interpreteerde hij een pauselijke brief als een belediging van zijn onafhankelijkheid. Vanaf dat moment begon hij zijn rijk een heilig rijk te noemen, op gelijke voet met de Kerk. Toen hij in 1158 met een enorm leger naar Italië terugkeerde, was hij bereid het pauselijk gezag uit te dagen. Hij deed dit op een dieet dat hij te Roncaglia hield, waar hij als Romeinse keizer het volledige gezag opeiste over de Noord-Italiaanse steden, met inbegrip van zowel het recht om podestas, of keizerlijke gouverneurs, voor hen te benoemen, als om zware belastingen op hen te heffen. Hij baseerde deze aanspraken op de rechten die de Romeinse wet, die in Bologna en elders in Noord-Italië was herontdekt en bestudeerd, aan de keizers verleende. Toen Milaan, de machtigste Noord-Italiaanse stad, zich tegen zijn aanspraken verzette en in opstand kwam, veroverde hij deze stad na een lange belegering en verwoestte haar. Tegen 1161 had hij alle weerstand in Noord-Italië verpletterd en leek hij goed op weg om dit rijke gebied als een keizerlijk domein onder zijn directe heerschappij te organiseren.
Frederick’s succes verstoorde echter het pausdom, dat nu in handen was van een nieuwe paus, Alexander III. Het verontrustte ook de Normandische koningen van Sicilië in het zuiden en de inwoners van Noord-Italiaanse steden die in 1168, met pauselijke zegen, de Lombardische Liga hadden georganiseerd om zich te verzetten tegen het gezag van Frederik. Geconfronteerd met deze opkomende oppositie probeerde Frederik de pauselijke vijandigheid tegen te gaan door een antipaus te installeren en dwong Alexander zo een tijdlang naar Frankrijk te vluchten (1162-1165). Hij plande ook een aanval op het koninkrijk Sicilië. Op den duur bleken zijn vijanden echter te talrijk om hem te kunnen bedwingen. De Lombardische Liga groeide in macht, en Milaan werd herbouwd terwijl Frederik onvermijdelijk afwezig was in Duitsland.
Ten slotte keerde Frederik in 1174 weer terug naar Italië met een betrekkelijk klein leger, omdat hij onder zijn Duitse edelen slechts minimale steun kon verwerven voor zijn Italiaanse plannen. Met deze troepenmacht ondernam hij verschillende vergeefse belegeringen van steden en werd vervolgens in 1176 zwaar verslagen door een Milanees leger in de Slag bij Legnano. Frederik zag in dat deze nederlaag zijn Italiaanse vooruitzichten teniet had gedaan en sloot vrede met paus Alexander III en gaf zijn antipausschap op. Alexander liet op zijn beurt zijn Lombardische bondgenoten in de steek en gaf Frederik volledige zeggenschap over de Kerk in Duitsland. In 1183 kwam Frederik ook tot een vergelijk met de Lombardische Liga door de Vrede van Konstanz te ondertekenen, waarbij deze centra zelfbestuur en het recht om hun eigen belastingen en gerechtelijke administratie te regelen, werd gegarandeerd. Frederiks Lombardische avontuur was op een mislukking uitgelopen.