武则天早在掐死女儿之前，就已设法让王皇后的坚决支持者柳爽被迫辞职，现在剩下的关键人物是太尉长孙无忌。武则天请母亲去游说长孙无忌，并和高宗一起亲自去看望，封官许愿，软缠硬磨，一概无效。武则天终于明白，自己是无法取得关陇贵族集团的支持的，于是，她到一群不得志的寒门庶族出身的官吏那里去寻找支持者，如中书舍人李义府、王德俭和御史大夫崔义玄、御史中丞袁公瑜、许敬宗等人，武则天在朝廷中得到了这批人的支持，开始用强硬的手段了。李义府首发其难，上表请求废王皇后而立武则天。永徽六年（655年）八月，唐高宗正式提出废立皇后事宜，长孙无忌一派当然是“濒死固争”，褚遂良等人也来谏劝，并说皇后出自名家，不可轻易废弃，即便要立新皇后，也应选择名门淑女，不该立武则天这种奉事过先帝的人，并举出妲己、褒姒等妖女亡国的前朝事例，谏阻唐高宗。在当时的宰相中，唯有李勣没有参与抢立太子李忠之事，因此他在这时不冷不热地说：“这是陛下自己家里的私事，何必要问外人呢？”
九月，褚遂良被贬出朝。十月，王皇后被废为庶人，武则天被立为皇后。十一月，李勣主持册后典礼。第二年，太子李忠被贬为梁王，武则天之子李弘立为太子。
武则天当皇后的目的达到了，她的第二步计划是攫取权力。武则天当皇后以后，当务之急是把原皇后一党彻底整垮。她把王皇后、萧淑妃禁死于冷宫，把褚遂良贬死在爱州，逼令长孙无忌自杀，又杀柳爽于象州，在振州逼死韩瑗；这些人的主要亲属也都被杀或遭贬谪。至659年，长孙无忌的权力集团被彻底摧垮，“自是，政归中宫矣”。
据史书记载，高宗不仅懦弱寡断，而且身体不好，经常头晕目眩，不能理事，政事均交武后处置。“上初苦风眩头重，目不能视，百司奏事，上或使皇后决定之。后性敏捷，涉猎文史，处事皆称旨，由是始委以政事，权与人主侔矣。”说她的权力与高宗相等，还是轻了，其实实权已经操在武则天的手里，尤其显庆年间以后，更是如此，以至她与高宗并称“二圣”，与皇帝无异。但武则天专权日久，必然会从多方面产生问题：一是她自己一反过去卑躬屈膝的常态，作威作福起来；二是高宗的权力受到了极大的限制，常常觉得很愤怒。在这种情况下，高宗授意宰相上官仪起草诏书，要把武则天废为庶人，上官仪正想如此，就欣然从命。
武则天安插在上官仪身边的暗探见事不好，急忙跑去告诉武则天。武则天当即跑到高宗那里，“动之以情，晓之以理”，居然说服了高宗，使高宗觉得武则天之行为情有可原。高宗心一软，就说自己本无此意，是宰相上官仪先提出来的。于是，武则天就使人诬告上官仪与过去的太子李忠一起谋反，上官仪、上官庭芝父子被处死，上官仪的妻子及女儿上官婉儿没入宫廷为奴。李忠被赐死于黔州。
从此以后，高宗更加依赖武则天，每当上朝，武则天总是垂帘听政，黜陟、生杀之权皆归中宫，天子唐高宗只做了武则天的应声虫而已。
674年（咸亨五年）8月，“皇帝称天皇，皇后称天后”。至此，长达十几年的皇后——太子权位之争以武则天的完全胜利而告终结。这场胜利，绝不仅仅是武则天一人的胜利，也是历史性的转折，因为代表寒门庶族地主的政治力量终于登上了历史舞台。在这场斗争中，王皇后和长孙无忌是一百多年形成并延续的门阀士族地主力量的代表，是部曲佃客制经济的代表；而在武则天和李勣则是新进的寒门庶族地主力量的代表，是契约佃农制经济的代表。武则天的胜利，在一定意义上说是庶族地主的胜利，这次胜利标志着魏晋以来四百多年由门阀士族掌握国家政权的历史结束了，而新兴的地主阶级逐步掌握了实权。这对解放思想、活跃生产力、促进中国历史的发展是有积极意义的。
武则天充分显示了她政治家的气魄，在称“天后”后的四个月，她即以皇后的身份向高宗提出了十二条政治建议，史称“建言十二事”。这十二项内容，是武则天经过对唐代社会长期的观察和仔细的研究而有针对性地提出的，其中包括：一、劝农桑、薄赋徭；二、给复三辅地（免除京畿地区徭赋）；三、息兵，以道德化天下；四、南北中尚禁浮巧；五、省功费力役；六、广言路；七、杜谗口；八、王公以降皆习《老子》；九、父在为母服齐衰三年；十、上元前勋官已给告身者（委任状）无追核；十一、京官八品以上益禀入（增加俸禄）；十二、百官任事久，材高位下者，得进阶申滞。
为了从观念上彻底打击旧的门阀士族，也多少有泄愤的目的，武则天另修《姓氏录》，以取代太宗时期修的《氏族志》。《氏族志》不载武氏宗族，武则天受尽了恶气，这次，她重修的《姓氏录》，把皇后的家族列为第一，按当时官品的高下分为九等，凡五品以上的官员皆可入录，升入士流。这样，大批出身于寒门的庶族地主知识分子蜂拥而来，确实给当时的政治、经济和文化带来了一股生气，对促进当时社会的发展确有好处。而那些关陇门阀士族的余孽们，完全丧失了凭祖先留下的族望升官的政治优势，他们当然极为不满，讽刺《姓氏录》是赏军功的“勋格”，根本不是贵族志。但武则天不管这一套，她用行政的方式强行收回《氏族志》，推行《姓氏录》，在当时造成了很大的影响。
高宗疾病缠身，随着年龄的增长，病势越来越重，他曾经想把皇位传给太子李弘。太子李弘“仁孝谦谨，上甚爱之”，又加上“礼接士大夫，中外属心”，颇有政治才能，因此，高宗对他甚为看重。但武则天却不喜欢他，有一次，李弘发现宫中幽闭着萧淑妃生的两位年逾三十的姐姐，就奏请让她们出嫁，还有几次也违忤了武则天的心意，使自己失宠于母亲。其实，这是次要的，关键是李弘势必与武则天争权。于是武则天用毒酒药死了自己这位亲生儿子，李弘死时七窍流血，很像他的肺疾发作。
李弘死后，武则天的次子李贤被立为太子。经李弘之死的打击，高宗病势更加沉重，头晕目眩不能视事，就想让位于太子，但武则天坚决反对，高宗只得打算让位于皇后。过了几年，高宗还是想让李贤监国，而李贤并不愿听武则天的话，于是，武则天就以李贤“颇好声色”为由，把他废为庶人，押至京师幽禁起来，继而立三子李显为太子。
683年唐高宗病死，太子李显即位，是为唐中宗。高宗临终遗诏说：“军国大事有不决者，兼取天后进止。”武则天以皇太后的身份临朝称制。一次，中宗想让岳父韦玄贞为宰相，并授给乳母的儿子一个五品官，宰相裴炎觉得不妥，跟中宗争执起来，中宗年轻气盛，发怒说：“我就是把天下交给韦玄贞，又怕什么？”裴炎感到很害怕，就跑去告诉了武则天。为了防患于未然，武则天下诏“废中宗为庐陵王，扶下殿”，改由其四子豫王李旦为睿宗，但睿宗住在另一个地方，不得参与政事。同时，武则天又派人逼死了废太子李贤。武则天清除了一切阻碍势力，做好了登基称帝的准备。李唐宗室知道武则天称帝必然要除尽李氏宗族，所以十分害怕，人人自危，不断有人起义。
在武则天临朝称制后的第七个月，扬州发生了徐敬业叛乱，朝中宰相裴炎也与之相勾结，可谓内忧外患。但武则天临危不乱，她先不失时机地斩除了裴炎、程务挺等人，以除肘腋之患，又急调三十万大军，在不到五十天的时间里平定了徐敬业之乱。武则天在平定叛乱后对内臣叛变十分恼火，她严厉训诫群臣说：“我奉事先帝二十多年，为天下操劳忧虑，可谓至忠、至勤！各位公卿的富贵，都是我给你们的；天下安定，百姓康乐，也是我促成的。等到先帝去世，把天下托付于我，我不爱惜自己而爱惜百姓。现在叛乱的人，都是出自将相，你们为什么这样忘恩负义呢？在你们这些元老重臣之中，倔强难制有超过裴炎的吗？纠结亡命之徒率众征战有超过徐敬业的吗？在握兵的夙将之中，攻占必胜有超过程务挺的吗？这三个人，都是素有威望的，我还是把他们杀了。你们当中，如果有人在能力上超过了这三个人，想反叛就试一试。如果自认为超不过，那就洗心革面，好好地奉事我，不要再乱说乱动，贻笑天下了！”688年（垂拱四年），武承嗣看到武则天登基称帝的时机已经成熟，就暗地里派人在一块白石上凿上“圣母临人，永圣帝业”的字样，并使雍州人唐同泰奉表献之，谎称获之于洛水。武则天闻讯大喜，当即下诏把这块石头命名为“宝石图”，并准备于当年五月选择吉日，亲临洛水拜受宝石。武则天把献图有功的唐同泰提拔为游击将军，让他参与办理此事。到了选定的日期，武则天“告谢昊天，礼毕御明堂，朝群臣”，不久即正式加尊号曰“圣母神皇”，从这个时候起，武则天开始称“陛下”。
李唐宗室众人十分清楚，武则天已是实际上的皇帝了，至于名义上的登基改号，只是一个时间问题，李唐宗室所面临的，将是一场灭顶之灾。出于自我保全之计，他们纷纷起兵。首先，李唐宗室以“迎还中宗”、“救拔睿宗”为旗号号召众人，但因范阳王李霭出首，密谋败露，仓促之间，韩王李元嘉首先起兵，继而琅邪王李冲在博州起兵，越王李贞在豫州起兵，霍王李元轨在青州起兵，鲁王李灵夔在邢州起兵。但这时国家较为安定，人民不愿为一家一姓的名利再去生什么内乱，于是，李氏诸王的军队皆无斗志，武则天的兵马一到，士兵们不是坠城投降，就是纷纷逃走，根本不堪一击。在很短的时间内，李氏诸王的士兵们叛乱就被武则天轻而易举地镇压下去了。
李氏诸王的这次失败也说明，关陇贵族门阀在社会上也逐渐丧失了人心。过去一百多年以来，这些门阀士族在大众中很有号召力，李渊起兵后人心迅速归附，就是最好的例证；但在唐朝社会安定发展了几十年以后，庶族地主的力量兴起，逐渐取代了门阀士族的影响，人们不再愿意为一家一姓效力，开始考虑社会的公平与正义，这不能不说是一种历史的进步。而李氏贵族集团历代以武力为胜，如今其子孙失去了祖先的雄威，看来，门阀士族的衰落已是无法挽回的了。
在镇压了这次叛乱以后，武则天果真决心清除敌对势力了。她采取了三条措施：一是鼓励告密；二是严刑逼供；三是任用酷吏。武则天把周兴、来俊臣、索元礼等酷吏提拔上来，专门进行“肃反”，他们秘密观察李氏宗族中王公大臣的行迹，一有可乘之机，立即加以逮捕，酷刑逼供，诬其谋反。武则天在朝堂之上设立了一个铜制的告密箱，专门用来接受告密的文书。并明确规定，任何官员不得过问此事，凡是告密的人，不论职位高低，哪怕是农夫樵子，也一律按五品官员的标准供应食宿。更妙的一条是，如果告密有功，那就破格封官；如果告密失实，也绝不加以追究。如此一来，“四方告密者蜂起，人皆重足屏息”。
周兴、来俊臣、索元礼等酷吏编写《告密罗织经》，教授门徒，以便罗织罪名害人，并创制出“方梁压髁”、“猕猴钻火”、“驴驹拔橛”、“凤凰亮翅”等酷刑和“求即死”、“死猪愁”、“定百脉”等刑具。这样，这三个酷吏每个人都杀了数千人，其中尤以来俊臣为最，所破获“罪犯”就连及千余家。在这次运动中，大臣被杀者数百家，李唐宗室被杀达数百人，刺史以下官吏被杀者更是不计其数。武则天这种十分过火的恐怖政策，造成了无数人的屈死。
当然，按武则天的想法，既杀尽了李唐宗室，又使得朝野上下“人人自危，相见莫敢交言，道路以目”，确实是无人敢造反了。
至此，武则天的第三步计划其实已完全实现，至于做皇帝的名号，只是一个手续问题。690年7月，东魏国寺里的僧人写了几卷经书，书中说武则天乃是弥勒佛投胎转世，应该代替唐朝作阎浮提主（即东方之主）。不久，侍御史傅游艺率领关中的百姓九百多人来到长安的宫门外，上表请求把大唐的国号改为周。武则天假装推辞，没有应允，但升了傅游艺的官，把他提拔为给事中。不久，朝中百官及宗室、远近百姓、四方边远地区的酋长以及沙门、道士一共六万多人，组成了一支极其庞大的请愿队伍，重复傅游艺的请求。
武则天见“民意不可违”，只有顺从。于是，在690年9月9日，她宣布改唐为周，立称号为“圣神皇帝”。她身穿皇帝服饰，光彩奕奕，在洛阳登上了大周皇帝的宝座。
中国历史上唯一的一位女皇，就此正式诞生了。
武则天称皇以后，并不是万事顺利的。首先，她必须解决两个矛盾：一是她同李唐宗室争夺地位的矛盾，一是因滥杀而造成的与大臣之间的矛盾。随着时间的推延，她与李氏的矛盾逐渐淡化下来，要解决与大臣之间的矛盾，那批酷吏可就成了替罪羊，武则天禁锢了当年滥告、滥杀的二十七名酷吏，处决了来俊臣等人，使矛盾渐渐地缓和下来。应当说，武则天晚年时期的政治气氛还是比较宽松自由的，她的统治也应当是稳固的。
但新的危机又出现了。武则天虽与群臣在表面上维持着良好的君臣关系，当年的滥杀所造成的阴影却始终无法彻底驱除，因此，她的晚年是很孤独的。在这种心态下，她求助于自己的男宠，先是薛怀义（冯小宝）和御医，后逐渐感到不太满意。在这时候，武则天的女儿太平公主把年轻貌美又精通音律的张宗昌推荐给了母亲，武则天一见之下，十分宠爱。不久，张宗昌又把哥哥张易之拉了进来，于是，两兄弟就代替了前面的两人，成为武则天的又一代男宠。由于武则天在私生活上很需要他们，又在政治上依靠他们，所以，这两人的权势越来越大，以至连武三思、武承嗣这样的权贵，也都争相趋奉他们，称张易之为“五郎”，张宗昌为“六郎”。
二张得势以后，经常胡作非为、贪赃枉法，随意打击不顺从自己的官吏，又私自杀害了批评二张兄弟权势过大的李显的长子和他的妹妹永泰郡主、妹夫武承嗣之子武延基，引起了朝廷官员的愤怒。一些大臣多次搜集张氏兄弟的犯罪证据，想将其绳之以法，但都被武则天阻挡。官员们看到用法律制裁不了二张，就准备用武力将其杀掉。政变的目的起初并非为了推翻武则天，仅是为了杀掉张氏兄弟。宰相张柬之等五位朝廷的重要人物，联络羽林军将领以及太子李显、相王李旦、太平公主等一大群势力，乘武则天卧病不起之机，攻占了玄武门，突入宫中，在武则天的迎仙宫搜出张易之、张宗昌，就地处死，完全控制了武则天。事情既已至此，众人就顺便把武则天请下皇位，迎立中宗。政变的第二天，武则天下《命皇太子监国制》；第三天，武则天宣布传位太子；第四天，中宗宣布复位，武周政权即告结束。
公元705年11月，八十二岁的武则天在洛阳上阳宫愤恨而死。死前遗嘱：“去帝号，称则天大圣皇后。”
第二年，其子唐中宗不顾众人的强烈反对，为母亲举行了隆重的葬礼，护灵柩回长安，与唐高宗合葬乾陵。
