太后称制
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，改东都为神都，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。
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、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”。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。文物、仪仗”，被评价为“自有唐已来，未有如此之盛者也”。
同年底，武则天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。
载初元年（690年）七月，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。
女皇岁月
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，于九月九日登上则天门楼，大赦天下，改唐为周，改元天授。定都洛阳（神都），以长安作为陪都。同月乙酉，上尊号曰圣神皇帝，“以皇帝（李旦）为皇嗣，赐姓武氏”。丙戌，又在神都立武氏七庙。
如意元年（692年）正月，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。二月，吐蕃党项部落万余人归附武周，武则天将其分置十州。五月，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。
长寿元年（692年）九月，派大将王孝杰与阿史那忠节率军出征西北。十月，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。
长寿二年（693年）正月，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。同月，武则天听信谗言，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。九月，武则天加号“金轮圣神皇帝”，旋即又为其父祖加谥。同年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。”
长寿三年（694年）正月，将军李多祚击破室韦叛乱。二月，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。。八月，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。
证圣元年（695年）正月一日，武则天加号“慈氏越古金轮圣神皇帝”。十六日，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。二月，去“慈氏越古”之号。四月，天枢建成，柱身碑刻百官及四夷酋长名，武则天亲题“大周万国颂德天枢”。
同年，武则天派王孝杰出兵攻打后突厥。十月，突厥默啜可汗遣使投降并归附武周，被册封为归国公、左卫大将军。腊月，武则天从神都出发，登嵩山，封神岳，大赦天下，免天下百姓租税一年。
万岁登封元年（696年）三月，重建的明堂落成，号曰“通天宫”。五月，营州契丹中的松漠都督李尽忠、归诚州刺史孙万荣举兵造反，攻陷营州，杀都督赵文翙，十日兵至数万，进围檀州，但被清边前军副总管张九节击退。武则天又派将军曹仁师、张玄遇、李多祚等率兵征讨。曹仁师等人由于误中契丹埋伏，大败。
万岁通天二年（697年）四月，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。同月，武则天派武懿宗、娄师德、沙咤忠义率兵二十万再伐孙万荣。六月，孙万荣兵败被杀。
同年，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。
圣历元年（698年），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（武承嗣、武三思为武则天之侄，李显、李旦则为武则天之子）？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（李显）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。