永徽七年（656年），武皇后进见宗庙，唐高宗追封其父武士彟为司徒，附祭于唐高祖的宗庙。
母亲杨氏也加封代国夫人，武则天便撰写《外戚诫》献于诸朝，解释讥噪。
显庆二年（657年），高宗李治和武则天移居神都洛阳，以洛阳为东都。
显庆四年（659年）四月，武则天与李治达成共识：
将长孙无忌、于志宁、韩瑗、来济等人削职免官，贬出京师。
至此，李治基本实现了君主集权。
“废王立武”事件沉重打击了关陇集团，自魏晋南北朝以来皇权不振的情况被改变，对中国历史产生了非常大的影响。
显庆五年（660年）十月，李治风疾发作，头晕目眩，不能处理国家大事，于是让武则天处理朝政。然而也让二人之间逐渐出现了矛盾。
龙朔元年（661年）正月，武则天请禁止天下妇女为俳优之戏（指演滑稽戏的艺人），李治采纳。
四月，李治欲亲征韩国，在武则天及群臣劝谏下才作罢。
武则天最初能“屈身忍辱，奉顺上意”，故而李治力排众议，坚持立她为后。
待到武则天得志后，“专作威福，上欲有所为，动为后所制”，李治不胜其忿。
麟德元年（664年），宰相上官仪请求废后，李治亦以为然，即命上官仪起草废后诏书。
左右侍从及时奔告于武则天，武则天立即到李治面前自诉，使其“羞缩不忍，复待之如初”。
李治又担心武则天怨怒，因此哄骗她说：
“我初无此心，皆上官仪教我。”
从此每当李治理政，武则天便“垂帘于后，政无大小皆与闻之。天下大权，悉归中宫，黜陟、生杀，决于其口”。
由于李治在位时期国力昌盛，武则天积极劝其封禅泰山。
封禅时本应先由皇帝初献，公卿亚献。
但武则天认为，封禅是祀天祭地的大礼，在祭皇地祇的时候以太后配享，而在举行禅地大典的时候，却由清一色男性大臣参加，这样做“恐未周备”。
祭奠女性祖先，理应由当朝皇后主持。
所以她要自己充当亚献，好孝敬自己的婆婆，李治应允，于麟德二年（665年）十月率文武百官、扈从仪仗，从东都洛阳出发，前往泰山封禅，武则天则率内外命妇随行。
车乘连绵数百里，随行的还有突厥、于阗、波斯、天竺、倭国、新罗、百济、韩国等国的首领和使节。
咸亨三年（672年）四月，武则天以两万贯脂粉钱，资助僧侣在洛阳龙门石窟雕刻卢舍那大佛。此工程历时三年九个月完成。
上元元年（674年）八月，李治称天皇，武则天称天后。
十二月，武则天上建言十二事，被李治悉数采纳，下诏颁布施行。
武则天重视农业生产，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。
她所编农书《兆人本业》，颁行天下，影响很大。
而武则天执政期间，其宗教政策以尊崇佛教为主。
上元二年（675年），李治所患的风眩症愈加严重，欲禅位给皇后，便与大臣们商议，准备让武则天摄政，因宰相郝处俊劝谏，这才暂时停议。
武则天得知后，就召集了大批文人学士，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，以分割宰相的权力，被当时的人称作“北门学士”。
永淳二年（683年），李治驾到奉天宫，当时武则天从封泰山以后，劝李治封禅中岳，因李治患病而中止。
不久，李治命李显代理国政，宰相裴炎、刘齐贤、郭正一等人协助理政。
李治从奉天宫回东都，病情加重，于同年十二月驾崩于神都洛阳贞观殿，临终遗诏让太子李显于灵柩前即位，军国大事有不能裁决者，由天后（武则天）决定。
四天以后，李显即位，是为唐中宗，尊武则天为皇太后。
嗣圣元年（684年）二月，李显打算任命韦皇后之父韦玄贞为侍中，被裴炎阻止，怒道：
“朕即使把天下都给韦玄贞，又有何不可？还在乎一个侍中吗？”
武则天于是将李显废黜为庐陵王，迁于房州，转而立第四子豫王李旦为帝，是为唐睿宗。
武则天仍临朝称制。
九月，武则天改元光宅，正式改东都（洛阳）为官方名称神都，同时令旗帜皆从金色，官服颜色、职省名称一并改易，赐宫城名为太初宫。
同月，徐敬业等以扶持庐陵王为号召，在扬州举兵反武，十多天内就聚合了十万部众。
武则天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。
垂拱元年（685年）五月，武则天下诏允许内外九品以上官员和百姓向朝廷自荐，以求被任用。
垂拱二年（686年）正月，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。
三月，武则天下令制造铜匦（铜制的匣子，类似于检举箱、报冤盒），置于洛阳宫城前，分为延恩（献赋颂、谋求仕途者投之）、招谏（言朝政得失者投之）、伸冤（有冤抑者投之）、通玄（言天象灾变及军机秘计者投之）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。
今人临摹，唐张萱《武后行从图》（年代、作者有争议）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，在垂拱四年（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），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。
九月，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、东莞郡公李融及常乐公主等自杀，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说：
“圣母临人，永昌帝业。”
号称该石是在洛水中发现的，献给武则天。
武则天大喜，为石取名为“宝图”。
垂拱四年（688年）五月，武则天加尊号为“圣母神皇”。
十二月，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”。
这次仪式的“文物卤簿”，是“自有唐已来，未有如此之盛者也”。
同年底，武则天命人于神都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。
载初元年（690年）七月，东魏国寺僧人法明等撰《大云经》，称武则天是弥勒佛化身下凡，应作为天下主人。
武则天下令将《大云经》颁行天下，命两京诸州各置大云寺一所，收藏此经，令僧人讲解，并将佛教的地位提高在道教之上。
载初元年（690年）九月间，发生了一系列官民、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，于九月九日（10月16日）登上则天门楼，大赦天下，改唐为周，改元天授。
这标志着武周王朝的建立。
历史上把这改唐为周的事件称为“武周革命”。
十一日，群臣为武则天上尊号为“圣神皇帝”。
她以洛阳为神都，长安为西京副都，除唐宗室属籍，“以皇帝（李旦）为皇嗣，赐姓武氏”。
又改置社稷，改旗帜尚赤。
十二日，在神都立武氏七庙。
而长安的唐太庙和神都的唐高祖、太宗、高宗三庙改为享德庙。