武则天谋夺李唐的社稷，翦除唐宗室，诸王不自安，欲起兵对抗。还未有共识的时候，博州刺史琅邪王李冲，垂拱四年（688年）八月于博州（今山东聊城东北）举兵。豫州刺史越王李贞起兵豫州（今河南汝南）呼应。武则天分遣丘神勣、魏崇裕击之。琅邪王李冲起兵七日败死；九月，越王李贞兵败自杀。武则天想尽除李氏诸王，使周兴等审讯之，迫韩王李元嘉、鲁王李灵夔、黄国公李撰、东莞郡公李融、常乐公主等自杀，亲信等均被诛。
同年，武则天命令薛怀义率令万多人，毁乾元殿，建明堂，花了近一年落成，高二百九十四尺，阔三百尺。共三层，上为圆盖，有条九龙作捧著的姿态。上有铁凤，高一丈。饰以黄金，称为“万象神宫”。明堂既成，又命僧薛怀义铸大像，大像的小指也可以容纳数十人，于明堂北起五层高的天堂来收纳这个大像。所花费用以万亿计，政府财政为之枯竭。武承嗣命人凿白石为文曰：“圣母临人，永昌帝业。”号称在洛水中发现，献给武则天，武则天大喜，命其石曰“宝图”。之后武则天加尊号为“圣母神皇”。

天授元年（690年），武则天宣布改唐为周，自立为帝，定洛阳为都，称“神都”，建立武周王朝。
载初二年（691年）七月，法明等撰《大云经》四卷，说武则天是弥勒佛化身下凡，应作为天下主人，武则天下令颁行天下。命两京诸州各置大云寺一所，藏《大云经》，命僧人讲解，并将佛教的地位提高在道教之上。九月侍御史傅游艺率关中百姓九百人上表，请改国号为周，赐皇帝姓武。于是百官及帝室宗戚、百姓、四夷酋长、沙门、道士共六万余人，亦上表请改国号。武后准所请，改唐为周，改元天授。尊号圣神皇帝，改元天授，但仍以李旦为皇嗣，赐姓武氏。立武氏七庙于神都，追尊周文王曰：始祖文皇帝。立武承嗣为魏王，武三思为梁王，其余武氏多人为王及长公主。

女皇岁月
长寿元年（692年）九月，武则天派王孝杰与阿史那忠节率军出征西北。十月二十五日，王孝杰大破吐善，收复龟兹、疏勒、于阗、碎叶安西四镇，设安西都护府于龟兹。在群臣一致反对的情况下，武则天毅然加派安西四镇成兵3万。这一措施使安西四镇从此安定，直到唐玄宗时再无反复。[21]
长寿二年（693年）正月初三，杀皇嗣李旦的妃子刘氏、德妃窦氏。初七，将皇孙李成器降等封为寿春郡王，恒王李成义降为衡阳郡王，楚王李隆基降为临淄郡王，卫王李隆范降为巴陵郡王，赵王李隆业降为彭城郡王。九月初九，武则天加号“金轮圣神皇帝”，施行大赦，赐准聚饮七日，制作金轮、白象等“七宝”。[22]十四日，武则天追尊曾祖父烈祖昭安皇帝为浑元昭安皇帝，祖父显祖文穆皇帝为立极文穆皇帝，其父太祖孝明高皇帝为无上孝明高皇帝。
长寿三年（694年），武三思率四夷首领请以铜铁铸天枢，立于端门外，以歌颂武则天的功德。武则天亲题曰：“大周万国颂德天枢”。天枢铸造历时八月而成，高一丈，用铜铁二百万斤。

天册万岁元年（695年）正月初二，武则天加号为“慈氏越古金轮圣神皇帝”，改年号为“证圣”。施行大赦，赐准聚饮三日。[23]五月，契丹首领李尽忠和孙万荣率兵起义，攻陷营州，杀都督赵文翙。武则天派将军曹仁节、张玄遇、李多祚等率兵征讨。由于误中吐蕃伏兵，全军覆没。接着，武氏再派武攸宜、王孝杰等率兵讨伐，均大败而归。神功元年（697年）四月，武则天又派武懿宗、娄师德、沙咤忠义率兵二十万，讨伐契丹。六月，孙万荣兵败被杀，契丹余众归降于突厥。
神功元年（697年），酷吏来俊臣欲罗告武氏诸王及太平公主，又欲诬皇嗣（唐睿宗）及庐陵王（唐中宗）与南北衙共同谋反，拟一网打尽。武氏诸王与太平公主都十分害怕，共同揭发其罪行，下狱处以极刑。仇家争食其肉，不一会就食尽。来俊臣凶狡贪暴网罗无辜，织成反状，杀人不可胜计。“赃贿如山，冤魂塞路”，武后亦知天下愤怨，下令数他的罪状，并没收其家财。

圣历元年（698年），武承嗣、武三思谋求当太子，几次使人对武后说：“自古天子没有以异姓当做继承人的。”武则天犹豫未决，狄仁杰对武后说：“姑侄之与母子，哪个比较亲近？（武承嗣、武三思皆武后之侄，中宗、睿宗则武后之子），陛下立儿子，那么千秋万岁后，会在太庙中作为祖先祭拜；立侄子，那么从未听说侄子当了天子，把姑姑供奉在太庙。”又劝武则天召还李显。从此，武则天没有立武承嗣、武三思为太子的心思，于是召李显回洛阳，皇嗣李旦请求逊位于庐陵王，于是武则天立李旦为皇太子，命为元帅，狄仁杰为副元帅率兵击突厥。

政变退位
神龙政变
武则天解决了继承人的问题后，志得意满，加上年龄增长，她开始耽于享乐。
武则天的面首张易之、张昌宗兄弟年少美姿容，常傅朱粉、穿着华丽的衣服。武承嗣、武三思等都争着追捧他们，甚至为他们执鞭牵马。当时，武则天已经进入真正意义上的暮年，老病缠身的她长时间不能上朝，对朝政的控制力下降，她将二张兄弟当做耳目，二张逐渐插手朝政，陷害宰相魏元忠，不仅跟大臣结怨，也使得武则天回归李唐、传位太子的形势发生逆转，引起了政局的复杂化，武则天母子、君臣关系也因此空前紧张起来。据史料记载，武则天孙女永泰公主因与丈夫武延基和皇兄、时为邵王的李重润一起议论二张，被构陷处死。
神龙元年（705年）正月，武则天病笃，卧床不起，只有张易之、张昌宗兄弟侍侧。宰相张柬之、崔玄暐与大臣敬晖、桓彦范、袁恕己等，交结禁军统领李多祚，佯称二张谋反。于是发动兵变，率禁军五百余人，冲入宫中，杀死二张，随即包围武则天寝宫，要求武则天退位。

武则天被迫禅让帝位与太子李显，徙居上阳宫（洛阳禁苑之东）。李显上武则天尊号为“则天大圣皇帝”，武周一朝结束，唐朝复辟，百官、旗帜、服色、文字等皆复旧制，复称神都为东都。
神龙元年农历十一月二十六日（705年12月16日），武则天在上阳宫病逝，享年八十二岁，遗诏省去帝号，称”则天大圣皇后“，并赦免王皇后、萧淑妃二族以及褚遂良、韩瑗、柳奭三人的亲属。[25][26]神龙二年（706年）五月，与高宗合葬乾陵。
虽然唐室依照她的遗诏谥号，后来仍有数次修改：
唐隆元年（710年），改为天后。
景云元年（710年），改为大圣天后。
延和元年（712年），改为天后圣帝，未几，改为圣后。
开元四年（716年），改为则天皇后。
天宝八载（749年），加谥则天顺圣皇后。

政治
打击门阀
武则天被立为皇后以后，把反对她做皇后的长孙无忌、褚遂良等人一个一个的都赶出了朝廷，贬逐到边远地区。这对于武则天来说，是杀鸡儆猴，但这些关陇集团和他们的依附者，在当时已经成为一种既得利益的保守力量。把他们赶出政治舞台标志着关陇集团从北周以来长达一个多世纪统治的终结，也为社会进步和经济发展创造了一个良好的条件。

发展科举，重用寒门
武则天任用了很多贤臣来治理天下，在历史上以知人善任著称，武则天一朝号称“君子满朝”，娄师德，狄仁杰等著名的贤臣均在其列，后来的“开元贤相”姚崇和宋璟也是武则天时期提拔起来的。武则天善于用人还体现在她在用人制度上的改革和创新，她改革科举，提高进士科的地位；举行殿试；开创武举、自举、试官等多种制度，让大批出身寒门的子弟有了一展才华的机会。载初元年（690年），武则天在洛城殿对贡士亲发策问，遣“存抚使”十人巡抚诸道，推举人材，一年后共举荐一百余人，武则天不问出身，全部加以接见，量才任用，或为试凤阁（中书省）舍人、给事中，或为试员外郎、侍御史、补阙、拾遗、校书郎，试官制度自此始，时人有“补阙连车载，拾遗平斗量，把推侍御史，腕脱校书郎”之语。武则天虽以官位收买人心，但对不称职的人亦会加以罢黜；明察善断，故当时的人亦乐于为武则天效力。

任用酷吏
武则天的统治稳定之后，开始启用酷吏。为巩固统治，武则天使用严酷手段。为掌握国家统治大权，她毒死了已立为太子的亲生儿子。称帝第二年，武则天便用两大酷吏之一的来俊臣杀了另一个酷吏周兴；至万岁通天二年（697年），杀死来俊臣，结束了酷吏政治。

经济
武则天在建言十二事中就建议“劝农桑，薄赋役”。在她掌权以后，又编撰了《兆人本业记》颁发到州县，作为州县官劝农的参考。她还注意地方吏治，加强对地主官吏的监察。此时均田制开始瓦解，民户逃亡现象开始普遍。对于土地兼并和逃亡的农民，也采取比较宽容的政策。因此，武则天统治时期，社会是相当安定的，农业、手工业和商业都有了长足的发展，户口也由唐高宗永徽三年（652年）的380万户增加到唐中宗神龙元年（705年）的615万户，平均每年增长0.721%。这在中国古代，是一个很高的增长率，也是反映武则天时期经济发展的客观数据。
但民户的逃亡，也使政府税收受到了损失，增加了社会的不稳定因素。而武则天为了称帝尊崇佛教，大修庙宇，建造规模宏大的明堂、天堂，这也加重了人民的负担

军事
在军事上，武则天时期基本维持了唐朝的疆域和地位，由于武则天称帝前后杀了一大批能征惯战的宿将名帅，更由于均田制的逐渐瓦解，使得府兵减少，国家防御力量较弱，“好铁不打钉，好汉不当兵”即由那时而来，导致在一段时间内对外战争频频失利，安北都护府在高宗死时尚处在中国统治，而滥杀程务挺、弃用王方翼等名将更使东突厥复国。安北始终没有再收复过。她几乎将太宗、高宗辛苦经营的安北、安西全部放弃了不过随着统治的稳定又逐渐挽回了颓势。
在西北，唐朝与吐蕃为争夺西域烽烟不息，安西四镇时置时罢，高宗启用裴行俭经略西域，于调露元年（679年）重置四镇。垂拱三年（687年），正当武后忙于篡位时，吐蕃又占领了安西四镇，其前锋直达敦煌。武后称帝后的长寿元年（692年），武则天派王孝杰率军收复安西四镇，并遣军常驻，从而结束了唐蕃在西域反复争夺的局面。