而到了显庆五年，高宗患上头风之疾，头晕目眩，不能处理国家大事，遂命武皇后代理朝政。在麟德元年与宰相上官仪商议，打算废掉武氏皇后之位。但上官仪的废后诏书还未草拟好，武皇后即已接到消息。她直接来到高宗面前，追问此事，唐高宗不得已，便把责任推到上官仪身上。十二月，上官仪被逮捕入狱，不久，即被满门抄斩。
乾封二年高宗因久疾，命太子弘监国。上元元年秋八月，高宗称天皇，武后称天后，名为避先帝、先后之称，实欲自尊。十二月武后上表建议十二事：“一，劝农桑，薄赋徭。二，给复三辅地（免除长安及其附近地区之徭役）。三，息兵，以道德化天下。四，南、北中尚（政府手工工场）禁浮巧。五，省功费力役。六，广言路。七，杜谗口。八，王公以降（下）皆习《老子》。九，父在为母服齐衰（丧服）三年（过去是一年）。十，上元《年号）前勋官已给告身（委任状）者，无追核。十一，京官八品以上，益禀入（增加薪水）。十二，百官任事久，材高位下者，得进阶（提级）申滞。”高宗诏皆施行之。武则天能够重视农业生产，规定各州县境内，“田畴垦辟，家有余粮”者予以升奖；“为政苛滥，户口流移”者必加惩罚。所编《兆人本业》农书，颁行天下，影响很大。而武则天执政期间，其宗教政策乃以佛教在道教之上。
上元二年（三月，武后召集大批文人学士，大量修书，先后撰成《玄览》、《古今内范》、《青宫纪要》、《少阳正范》、《维城典训》、《紫枢要录》、《凤楼新诫》、《孝子传》、《列女传》、《内范要略》、《乐书要录》、《百僚新诫》、《兆人本业》、《臣轨》等书。且密令这批学者参决朝廷奏议，以分宰相之权，时人谓之“北门学士”。时高宗风眩更甚，拟使武后摄政，宰相郝处俊说：“陛下奈何以高祖、太宗之天下，不传之子孙而委之天后乎！”高宗才罢摄政之意。太子李弘深为高宗钟爱，高宗欲禅位于太子。武后想总揽大权，不满于太子弘，刚好太子弘见萧淑妃之女义阳、宣城二公主因母得罪武后而被幽禁宫中，年逾三十而未嫁，奏请出降，高宗许之。武后怒，不久太子死于合壁宫，时人以为武后所毒杀。
弘道元年十二月，唐高宗病逝，临终遗诏：太子李显于柩前即位，军国大事有不能裁决者，由武则天决定。四天以后，李显即位，是为唐中宗。武后被尊为皇太后。
光宅元年二月，中宗欲以韋后父韦玄贞为侍中，裴炎力谏不听，武后遂废唐中宗为庐陵王，并迁于房州。立第四子豫王李旦为帝，是为唐睿宗，武后临朝称制，自专朝政。同年九月，徐敬业、徐敬猷兄弟联合唐之奇、杜求仁等以扶支持庐陵王为号召，在扬州举兵反武，十多天内就聚合了十万部众。武后当即以左玉钤大将军李孝逸为扬州道大总管，率兵三十万，前往征讨。十一月，徐敬业兵败自杀。
垂拱二年三月，武后下令制造铜匦（铜制的小箱子），置于洛阳宫城之前，随时接纳臣下表疏。同时，又大开告密之门，规定任何人均可告密。凡属告密之人，国家都要供给驿站车马和饮食。即使是农夫樵人，武后都亲自接见。所告之事，如果符合旨意，就可破格升官。如所告并非事实，亦不会问罪。同时，武后又先后任用索元礼、周兴、来俊臣、侯思止等一大批酷吏，掌管制狱，如果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。于是在朝廷内外便形成了十分恐怖的zhengzhi气氛，以致大臣们每次上朝之前，都要和家人诀别，整天都惶惶不可终日。为奖励告密，武后对告密者破例授官，以卖饼为生的侯思止，是一名无赖，因诬告舒王元名与恒州刺史裴贞谋反，被任命为游击将军、侍御史。王弘义以无德行见称，告乡里谋反，擢授殿中侍御史。是年杀安南王颖等宗室十二人，又鞭杀故太子李贤二子，唐之宗室至是杀戮殆尽，其幼弱幸存者亦流岭南，又诛其亲党数百家。
武后谋夺李唐的社稷，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，八月于博州举兵。豫州刺史越王李贞起兵豫州呼应。武后分遣丘神勣、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。武后想尽除李氏诸王，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。
这年命令僧薛怀义率令万多人，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。是年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，献给武后，武后大喜，命其石曰“宝图”。之后武后加尊号为“圣母神皇”。
武后当政期间进一步发展科举制度。贞观年间共录取进士二百余人，高宗武后统治期间共录取一千余人。平均每年录取人数比贞观时增加一倍以上。武后载初元年武后在洛城殿对贡士亲发策问，是“殿试”之始。是年遣“存抚使”十人巡抚诸道，推举人材，一年后共举荐一百余人，武后不问出身，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。武后虽以官位收买人心，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后效力。
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