垂拱四年（公元688年），武則天的侄子武承嗣看到武則天登基稱帝的時機已經成熟，就暗地裡派人在一塊白石上鑿上：「聖母臨人，永聖帝業」的字樣，並使雍州人唐同泰奉表獻之，謊稱獲之於洛水。武則天聞訊大喜，當即下詔把這塊石頭稱之為「寶石圖」，並準備於當年五月選擇吉日，親臨洛水拜受寶石。武則天把獻圖有功的唐同泰提拔為游擊將軍，讓他參與辦理此事。到了選定的日期，武則天「告謝昊天，禮畢御明堂，朝群臣」，不久即正式加尊號曰：「聖母神皇」，從這個時候起，武則天開始稱「陛下」。
李唐宗室眾人十分清明，武則天已是實際上的皇帝了，至於名義上的登基改號只是一個時間問題，李唐宗室所面臨的卻是一場滅頂之災。出於自我保全之計，他們紛紛起兵。
首先，李唐宗室以「迎還中宗」、「救拔睿宗」為旗號號召眾人，但因范陽王李靄出首，密謀敗露，倉促之間，韓王李元嘉首先起兵，繼而琅琊王李沖在博州起兵，越王李員在豫州起兵，霍王李元軌在青州起兵，魯王李靈夔在邢州起兵。但這時國家較為安定，人民不願為一家一姓的名利再去生什麼內亂，於是，李氏諸王的軍隊皆無鬥志，武則天的兵馬一到，不是棄城投降，就是紛紛逃走，根本不堪一擊，在很短的時間內，李氏諸王的這次叛亂就被武則天輕而易舉地鎮壓下去了。李氏諸王的這次失敗也說明，關隴貴族門閥在社會上也逐漸喪失了人心。因為一百多年以來，這些門閥士族在大眾中很有影響，很有號召力，李淵起兵後人心迅速歸附，就是最好的例證。在唐朝社會安定發展了幾十年以後，庶族地主的力量興起，逐漸取代了門閥士族的影響，人們開始不願為一家一姓效力，開始考慮社會的公平與正義，這不能不說是一種歷史的進步。而李氏貴族集團歷代以武力為勝，如今其子孫也失去了祖先的雄威，看來，門閥士族的衰落已是無法挽回的了。
在鎮壓了這次叛亂以後，武則天果真決心清除敵對勢力了。她採取了三條措施：一是鼓勵告密；二是嚴刑逼供；三是任用酷吏。武則天把周興、來俊臣、索元禮等酷吏提拔上來，專門進行「肅反」。他們秘密觀察李氏宗族中王公大臣的行跡，一有可乘之機，立即加以逮捕，酷刑逼供，誣其謀反。武則天在朝堂之上設立了一個銅製的告密箱，專門用來接受告密的文書。並明確規定，任何官員不得過問此事，凡是告密的人，不論職位高低，哪怕是農夫樵子，也一律按五品官員的標準供應食宿。更妙的一條是，如果告密有功，那就破格封官；如果告密失實，也絕不加以追究。如此以來，「四方告密者蜂起，人皆重足屏息。」周興、來俊臣、索元禮等酷吏編寫《告密羅織經》，教授門徒，以便羅織害人，並創製出「方梁壓髁」、「獼猴鑽火」、「驢駒拔橛」、「鳳凰亮翅」等酷刑和「求即死」、「死豬愁」、「定百脈」等刑具。這樣，這三個酷吏每個人都殺了數千人，其中尤以來俊臣為最，所破獲「罪犯」就連及千餘家。在這次運動中，大臣被殺者數百家，李唐宗室被殺達數百人，刺史以下官吏被殺者更是不計其數。武則天的這種十分過火的恐怖政策，造成了無數人的屈死。
當然，按武則天的想法，殺盡了李唐宗室，又使得朝野上下「人人自危，相見莫敢交言，道路以目」，確實是無人敢於造反了。
至此，武則天的第三步計劃其實已完全實現，至於做皇帝的名號，只是一個手續問題。公元690年七月，東魏國寺裡的僧人寫了幾卷經書，書中說武則天乃是彌勒佛投胎轉世，應該代替唐朝作閻浮提主（即東方之主）。不久，侍御史傅遊藝率領關中九百多名百姓來到長安的宮門外，上表請求把大唐的國號改為周，武則天假裝推辭，沒有應允，但升了傅遊藝的官，把他提拔為給事中。不久，朝中百官及宗室、遠近百姓，四方邊遠地區的酋長以及沙門、道士一共六萬多人，組成了一支極其龐大的請願隊伍，重複傅遊藝的請求。
武則天見「民意不可違」，只有順從，於是，在載初元年（公元690年）九月九日，宣佈改唐為周，立稱號為「聖神皇帝」，她身穿皇帝服飾，光彩奕奕，在洛陽登上了大周皇帝的寶座。
中國歷史上唯一的一位女皇就此正式誕生了。
武則天稱皇以後，也並不是萬事順利的。首先，她必須解決兩個矛盾，一是她同李唐宗室爭奪地位的矛盾，一是因濫殺而造成的她與大臣之間的矛盾。隨著時間的推延，她與李氏的矛盾逐漸淡化下來，要解決與大臣之間的矛盾，那批酷吏可就成了替罪羊。武則天禁錮了當年濫告濫殺的二十七名酷吏，處決了來俊臣等人，使矛盾漸漸地緩和下來。應當說，武則天晚年時期的政治氣氛還是比較寬鬆自由的，她的統治也應當是穩固的。
但新的危機又出現了。雖然武則天與群臣在表面上維持著良好的君臣關係，但當年濫殺所造成的陰影始終無法徹底驅除，因此，她的晚年應當說是很孤獨的。在這種心態下，她求助於自己的男寵，先是薛懷義（馮小寶）和御醫沈南蓼，後逐漸不太滿意，在這時候，武則天的女兒太平公主把年輕貌美又精通音律的張昌宗推薦給了母親，武則天一見之下，十分寵愛，不久，張昌宗又把哥哥張易之拉了進來。於是，兩兄弟就代替了前面的兩人，成為武則天的又一代男寵。由於武則天在私生活上很需要他們，在政治上也依靠他們，所以，他們兩人的權勢越來越大，以至連武三思、武承嗣這樣的權貴，也都爭相趨奉他們，稱張易之為「五郎」，張昌宗為「六郎」。
二張得勢以後，經常胡作非為，貪贓枉法，隨意打擊不順從自己的官吏，又私自殺害了議論二張兄弟權勢過大的李顯的長子和他的妹妹永泰郡主、妹夫武承嗣之子武延基，引起了朝廷官員的憤怒。一些大臣多次收集張氏兄弟的犯罪證據，想將其繩之以法，但都被武則天赦免。官員們看到用法律制裁不了二張，就準備用武力將其殺掉。
政變的目的起初並非為了推翻武則天，僅是為了殺掉張氏兄弟。宰相張柬之等五位朝廷的重要人物，聯絡羽林軍將領以及太子李顯、相王李旦、太平公主等一大群勢力，乘武則天臥病不起之機，攻佔了玄武門，突入宮中，在武則天的迎仙宮搜出張易之、張昌宗，就地處死，完全控制了武則天。事情既已至此，就順便把武則天請下皇位，迎立中宗。政變的第二天，武則天下《命皇太子監國制》，第三天，武則天宣佈傳位太子，第四天中宗宣佈復位，武周政權即告結束。
中宗神龍元年（公元705年）十一月，八十二歲的武則天在洛陽上陽宮憤恨而逝。死前遺囑：「去帝號，稱則天大聖皇后。」
第二年，其子唐中宗不顧眾人的強烈反對，為母親舉行了隆重的葬禮，護靈柩回長安，與唐高宗合葬乾陵。
武則天稱帝十五年，前後專政近五十年，在她掌握政權期間，為中國歷史的發展做出了相當的貢獻。首先她重視發展農業，推行均田制，抑制豪強和土地兼併，獎勵墾荒，做得很有成效。在她統治期間，全國人口由三百八十萬戶增長到六百一十五萬戶。其次是發展科舉制度，並親自主持考試，選拔了一大批庶族地主出身的優秀人才，並開「武舉」科，選拔有軍事才能的人。唐太宗在位的二十三年間，共取進士二百零五人，而在唐高宗和武則天統治的五十五年間，取進士一千多人。她還極其重視文化教育事業，倡導編纂了許多文化典籍。她還重視加強邊防，改善同周邊少數民族的關係，對於維護國家統一、鞏固邊防、發展商業等都做出了積極的貢獻。
當然，武則天晚年生活靡費很大，讓她的侄子武三思及男寵張氏兄弟把持朝政也造成了政治的混亂，尤其是她縱容女兒太平公主爭權奪利，做了許多壞事。另外，她任用酷吏，大殺宗室大臣，李唐宗室近支被殺盡，除自己的親生兒子李顯、李旦以外，唐高祖、太宗、高宗的子孫全部誅除。十四年間的五十八個宰相，被殺被貶各有二十一人，占72％以上。武則天終於落下了一個「千古忍人」的惡名。
無論如何，武則天還是像一顆流星劃過中國漫長的封建歷史蒼穹，閃爍著奪目的光輝，引發著後人無限的思考。她的所有的意義，就在於她是中國歷史上唯一的一位女皇。
【評議】
的確，她想把李唐王朝變為武周王朝的企圖是失敗了，後人談起武周時期，只是把它當作唐朝的一個小插曲，或是唐朝的一個組成部分，根本不把它看成是一個獨立的朝代，更何況武則天臨死之前，還政於李氏，彷彿本來是李家的政權，自己只是代為管理一段而已，連自己都不承認有獨立的皇帝資格。
當然，武則天更沒有把中國變為一個「女兒國」，沒有把中國的男皇制改為女皇制，儘管她不服，儘管她採取了許多畸形的手段進行抗爭，她還是失敗了，她所爭取到的最大榮譽是能與高宗合葬。這或許是一種象徵，象徵著她有著同皇帝平等的女皇地位，但要想壓倒男皇，那是無論如何也辦不到的。
然而，已經夠了，武則天以嶄新的姿態出現在皇帝寶座上，給門閥士族勢力以毀滅性的一擊，使這塊板結的土壤開始鬆動，也給黑沉沉的男性世界以沉重的一擊，使中國的男人們終於被迫正眼看看女人，也重重地當眾打了中國宗法觀念的一記耳光，讓中國男人從此不敢忘記中國女人的威力。我們決不作把古代社會的男皇制換成女皇制的無聊之想，只是想通過武則天的成敗，看看女人為中國歷史注入的活力，這對於從深層裡解放我們的思想，或許不無好處。