武则天还政于李旦，但李旦知其并非出自诚心，“奉表固让”，于是武则天继续临朝称制。武则天下令制造铜匦，置于洛阳宫城前，分为延恩、招谏、伸冤、通玄四匦，随时接纳天下表疏。此举广开言路，对稳定当时的朝政起了重大作用。
武则天为监察宗室与大臣，规定任何人均可告密，凡属告密之人，臣下不得私自审讯，国家都会向其供给驿站车马和饮食。即使是农夫樵人，武则天都亲自接见，所告之事，如果符合旨意，就可破格升官，如果并非事实，亦不会问罪，于是四方告密者蜂起。其中生性残忍的索元礼、周兴、来俊臣、侯思止等人通过告密被授予掌管制狱的官职，形成“酷吏政治”，被告者一旦被投入此狱，酷吏们则使用各种酷刑审讯，能活着出狱的百无一二。这样，随着告密之风的日益兴起，被酷吏严刑拷打致死的人日渐增多，于是“朝士人人自危，相见莫敢交言”，大臣们每次上朝前，都要和家人诀别。
武则天谋夺李唐社稷，翦除唐朝宗室，引起诸王不安，欲起兵对抗，还未有共识的时候，博州刺史、琅邪王李冲，于博州举兵；豫州刺史、越王李贞起兵豫州，以呼应李冲。武则天分遣丘神勣、魏崇裕讨伐，李冲起兵七日即败死，李贞兵败自杀。武则天想尽除李氏诸王，使周兴等展开审讯，逼迫韩王李元嘉、鲁王李灵夔、黄国公李撰、东莞郡公李融、常乐公主等自杀，他们的亲信也被杀死。
武则天的侄子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，为石取名为“宝图”，加尊号为“圣母神皇”。武则天亲自拜洛受图，史称此时“皇帝、皇太子皆从，文武百官、蛮夷酋长，各依方位而立。珍禽奇兽，并列于坛前。文物、仪仗”，被评价为“自有唐已来，未有如此之盛者也”。命人于洛阳建造的明堂落成，号“万象神宫”，放任百姓入内参观，吐蕃等国听闻明堂建成，纷纷遣使来贺。又命面首薛怀义铸巨大雕像，其小指尤容数十人，在明堂北起五层高的天堂来收纳雕像。
东魏国寺僧人法明等撰《大云经》四卷，称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。官民、宗戚、四夷首领、沙门、道士向武则天请求改国号为周，赐皇帝姓武的要求，李旦亦自请赐姓武氏。不久，群臣奏称“凤集上阳宫，赤雀见朝堂”，武则天方准所请，登上则天门楼，大赦天下，改唐为周，改元天授，定都洛阳，以长安作为陪都，上尊号曰圣神皇帝，“以皇帝旦为皇嗣，赐姓武氏”，又在神都立武氏七庙。
武则天引见存抚使所举之人，不论贤愚，全部提拔，授予各种官职进行试用，试官制度由此开始。吐蕃党项部落万余人归附武周，武则天将其分置十州，吐蕃首领曷苏亦率其部落请求归附，武则天派张玄遇率领精兵二万迎接。不料，曷苏事情泄漏，被国人擒回，此时恰逢羌族首领昝捶率领八千余人归附，张玄遇以其部落置莱川州。派大将王孝杰与阿史那忠率军出征西北，王孝杰大破吐蕃，收复龟兹、疏勒、于阗、碎叶等安西四镇，设安西都护府于龟兹。在群臣一致反对的情况下，武则天毅然对安西四镇增兵三万，这一措施使安西四镇从此安定，直到唐玄宗时再无反复。
武则天在万象神宫亲自主持祭典，自制宫廷乐舞《神宫大乐》，选用舞者九百人，听信谗言，杀太子李旦的妃子刘氏、德妃窦氏，李旦几遭诬陷，险些受祸；又降封李旦之子、皇孙李成器及恒王李成义等为郡王。
西突厥拥立阿史那俀子为可汗，联合吐蕃入侵武周，后突厥默啜可汗率众入侵，室韦亦反，将军李多祚击破室韦叛乱。王孝杰破吐蕃孛攵论赞刃、突厥可汗俀子等各三万余人，碎叶镇守使韩思忠大破泥熟俟斤、突厥施质汗、胡禄等，继而攻占吐蕃泥熟没斯城。四夷酋长在波斯国大酋长阿罗憾的号召下请求用铜铁铸造天枢，立于端门外，铭纪武则天功德，黜唐颂周，武则天同意。
薛怀义因失宠而密烧天堂，延及明堂，致使二堂俱毁，她遂下诏重建明堂，重建的明堂落成，号曰“通天宫”。武则天铸成九鼎，从玄武门曳入宫城，令宰相、诸王率南北衙宿卫兵十余万人，连同宫中仪卫大牛、白象共同拖曳。武则天又作《曳鼎歌》，以令其相互唱和，最终将九州鼎依照各自方位列于明堂廷内。
酷吏来俊臣欲罗告武氏诸王及太平公主，又欲诬李旦、李显与南北衙共同谋反，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。来俊臣凶狡贪暴，杀人不可胜计，“赃贿如山，冤魂塞路”，武则天亦知天下愤怨，下令历数其罪状，并没收其家财。
武承嗣、武三思谋求为太子，几次使人对武则天说：“自古天子没有以异姓当做继承人的。”武则天犹豫未决，宰相狄仁杰对武后说：“姑侄之于母子，哪个比较亲近？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，自此后，武则天无意立武承嗣、武三思为太子，并将李显秘密接回洛阳。
控鹤监内供奉吉顼、张易之、张昌宗都曾请求武则天立李显为储君，皇嗣李旦亦请求逊位于李显。在来自各方面拥护李唐的压力下，武则天进一步认识到人心所向的是李唐宗室，如果再一意孤行，就会有丧失人心的危险。而在后来一次征兵中，“初募兵，无有应者，闻太子显行，北郊山头皆兵满，无容人处。”此事更加说明李唐才是众望所归，在经过多方权衡之后，武则天最终决定立李显为皇太子。
武则天解决了继承人的问题后，志得意满，加上年龄增长，开始耽于享乐，大修宫殿、佛寺。武则天的面首张易之、张昌宗兄弟年少美姿容，常傅朱粉、衣着华丽，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，武则天的孙女永泰公主，因与丈夫武延基和邵王李重润一起议论二张，遭人构陷，武、李被处死，永泰公主受惊而死。
武则天病笃，在迎仙宫卧床不起，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，发动政变，率禁军五百余人，冲入宫城，杀死二张，随即包围武则天所寝集仙殿，要求她退位，武则天被迫禅位于太子李显，随后徙居上阳宫。李显复位后，率百官到观风殿问武则天起居，此后每十日一往，又上武则天尊号为“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。
武则天在上阳宫的仙居殿病逝，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，与高宗合葬乾陵。
武则天统治时期，社会是相对安定的，农业、手工业和商业都有了长足的发展，户口也由唐高宗的380万户，增加到唐中宗的615万户，平均每年增长0.721%，这在中国古代是一个较高的增长率。武则天还改制音乐机构，将内教坊改为云韶府，习雅乐，促进宫廷音乐的发展，执政期间是唐代音乐过渡阶段，上承唐初的雅乐，下为唐中期燕乐、俗乐奠定基础。执政时期至武周建立后，与周边各国的局部战争，时起时伏，以武周胜利为多，武则天在位15年中，基本上维护了帝国的统一。
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