Благодаря успешным военным действиям против нехристианских народов (арабов, саксов и фризов) Карл Мартелл приобрёл известность как защитник христианской веры. Майордом оказывал покровительство тем церковным иерархам, чью деятельность он считал полезной с точки зрения интересов Франкского королевства, прежде всего, св. Виллиброрду и св. Бонифацию. Св. Виллиброрд, проповедовавший среди фризов, основал монастырь Эхтернах и восстановил епископскую кафедру в Ультраекте (ныне Утрехт, Нидерланды). В 734 г. восстание дукса Бубона послужило предлогом для вторжения франков, которые разграбили Фризию и уничтожили языческие святилища. Св. Бонифаций в 719 г. отправился в Рим и получил от папы Григория II указания проповедовать христианство германцам и информировать понтифика о положении в государстве франков. Бонифаций действовал преимущественно в Тюрингии и Гессене, пограничных областях, которые отделяли Австразию от земель, населённых саксами. Вскоре после возвращения из Рима под защитой франков св. Бонифаций основал монастыри в Амёнебурге и во Фрицларе. Во время второго посещения Рима Бонифаций был рукоположён во епископа, после чего Карл Мартелл по просьбе папы принял его под особое покровительство и велел всем духовным и светским должностным лицам оказывать ему поддержку. Многие церковные иерархи, в том числе ставленники майордома, не разделяли намерения св. Бонифация провести церковную реформу и укрепить дисциплину франкского духовенства, но миссионер получал существенную поддержку и помощь из англосаксонской Англии. Папа Григорий II даровал св. Бонифацию архиепископский паллий, что означало не только одобрение Папским престолом деятельности святого, но и подчёркивало его первенство среди франкских церковных иерархов. Однако в письме к Уинчестерскому епископу Даниилу св. Бонифаций признавался, что без поддержки Карла Мартелла оказался бы совершенно беспомощным. Майордом покровительствовал св. Пирмину, который в 724 г. основал на Боденском озере монастырь Авгия (см. Райхенау), но впоследствии был изгнан алеманнским дуксом Лантфридом, считавшим его сторонником франков. Из Алеманнии Пирмин удалился в Эльзас, где представители знатного рода Этихонидов передали ему монастырь Мурбах, а впоследствии при поддержке Сигебальда, епископа Меттиса (ныне Мец; 716–741 гг.), сторонника Карла Мартелла, он восстановил несколько монастырей в Лотарингии. В Баварии Карл Мартелл пытался действовать через посредство св. Бонифация, но местные правители из рода Агилольфингов настаивали на создании самостоятельной церковной организации. Заручившись согласием Римского папы, св. Бонифаций основал епископские кафедры в Зальцбурге, Фрайзинге, Регенсбурге и Пассау, на которые были назначены ставленники баварского дукса Одилона (736–748 гг.). В срединных областях Франкского королевства Карл Мартелл покровительствовал крупным монастырям, прежде всего, аббатству св. Дионисия (см. Сен-Дени), где настоятелем был Годобальд, преданный сторонник Пипинидов. Незадолго до смерти Карл Мартелл подарил аббатству св. Дионисия королевское поместье Клиппиак (ныне Клиши), некогда одну из основных резиденций Меровингов. От времени правления Карла Мартелла сохранилось десять грамот, в основном, в пользу крупных монастырей Нейстрии – св. Дионисия, Фонтанеллы, Корбеи и др.