En 864 entró en colisión con el papa Nicolás I debido a sus esfuerzos por facilitar el divorcio de su hermano Lotario: los arzobispos que, por declarar ese matrimonio inválido, fueron depuestos por el papa que impulsaba la indisolubilidad del matrimonio católico, obtuvieron el apoyo del emperador, que llegó a Roma con un ejército en febrero de 864; sin embargo, al ser atacado por unas fiebres, Luis hizo las paces con el papa y dejó la ciudad.