武则天病情日益加重，形势更加紧迫起来。为了能消灾，武则天还采取开仓赈济、迎请佛骨、大赦天下等方法为自己祈福。705年正月初九，武则天又下诏改元为“神龙”，可能是期盼神龙降临、挽救自己垂危的生命吧。正月十一日，武则天派往扶风法门寺迎佛骨的宰相崔玄还都，武则天在宫中供奉佛骨。张柬之先后争取了李旦、太平公主等人支持，决定发动政变。而此时的二张也闻风而动，封闭宫内与外界的联系，企图负隅顽抗。
张柬之看到形势越来越紧张，于是决定于正月二十二日发动政变。政变队伍分为三路：一路由张柬之带领，崔玄、桓彦范、敬晖等人率领羽林军开赴玄武门，包围皇宫，直捣迎仙宫长生殿，逼迫武则天退位；一路由李多祚牵头，李湛等人带领部队前往东宫，迎接李显后到玄武门与张柬之会合，拥立李显即位；最后一路由李旦带领司刑少卿袁恕己和南卫军作为警戒力量，控制整个京城，抓捕“亲张派”的大臣，并围困二张府第，防止其私人武装作乱。此计划可以说是十分周密，分工明确。一时间，原来效忠武则天的军队都临阵倒戈了，确实让人称奇。
而李显竟然不知所措，像是一个局外人一样。当李多祚出现在东宫的时候，李显一看这架势，没了主意，不敢前往即位。不过李显这样的表现也不是没有原因的，他这么多年一直活在母亲的阴影下，真的要去反抗、甚至推翻母亲的统治，还是需要一些勇气的。幸好这时李显的女婿王同皎力劝李显成就此事。箭在弦上不得不发，就这样，李显还推说想缓一缓。李湛顿时着急起来，说道：“将士们为社稷都不顾自家性命，殿下难道要送他们去死？”李显听后才下定决心，同意前往。出门后，王同皎立刻将李显抱上马，直奔玄武门而去。
主攻部队张柬之那边情况却不乐观。队伍到达宫城外的时候，当时镇守玄武门的殿中监田归道立即下令关闭宫门，让士兵严阵以待。敬晖派人通知田归道，令他交出军权，他就是不听。田归道属于中间派，因为事情发生得太突然，他有些缓不过神来，虽然敬晖是自己的上司，在看不清形势的时候，他决定谁的话也不听。而张柬之的大部队来了以后，田归道依旧把守宫门，不予放行。这下可算是卡了壳，如果不尽快进入玄武门，后面的事情很难预料。如果强行攻城，在没有攻城装备的情况下，成功的可能性也不太大。就在这千钧一发之际，李显在众人的簇拥下来到了宫墙外。田归道一看，太子、宰相都参加政变了，心中也就明白了，此事已成，无谓的抵抗是不明智的，于是放弃了抵抗。
张柬之一声令下，士兵将宫门撞开，奔向武则天所住的迎仙宫长生殿。这时二张正在里面服侍，听到外面人声喧噪，出来察看情况，没想到一出来就被抓住。为了防止出现意外，张柬之立即命人将二张斩首。两个超级美男顿时“香消玉殒”。随后，张柬之等人包围了长生殿，以防有人逃窜。武则天得知发生了兵变的消息，惊问：“谋乱者是谁？”张柬之、崔玄、桓彦范、敬晖等人鱼贯而入，答道：“张易之、张昌宗谋乱，臣等奉太子之命诛之。因怕泄露，未敢告知。”武则天一听自己的情人已经被杀，心如刀绞，又不好当场发作。李显随后进入长生殿，武则天看了一眼李显，轻蔑地说：“是你啊，二张已经被杀，你可以回宫了。”李显一看母亲顿时没有了底气，手足无措，一句话不敢说。
如果李显就这样回东宫了，那还能叫政变吗？策划了这么长时间不是白费了嘛。更严重的是，日后等武则天缓过神儿来，参与的人都要倒霉。于是桓彦范大呼：“太子怎么能回宫呢？高宗将太子托付给陛下，太子现在已经可以亲政。天下人心都还向着李氏，群臣也不忘太宗、高宗的恩情。希望陛下传位太子，以顺应天意民心。”此话一出，武则天知道这实际是在逼宫。但她又真舍不得交出历尽千辛万苦才握到手中的权力。看着众臣不达目的誓不罢休的样子，武则天知道自己退位的日子已经到了，于是返回床榻而卧，不再说话。
武则天很明白，太子、宰相、禁军将领这些重臣都让自己退位，自己即使过了今日，也没有力量再和他们较量。与其作无谓的抗争，不如用沉默的方式告诉大家，她虽然不高兴，但不得不同意将皇位传给李显。
接下来，张柬之又派兵将张昌仪等张氏三兄弟都杀了，连同二张的尸体一起示众。痛恨他们的人上前割肉以示庆贺，很快就将五人碎尸万段。二张的其他同党，该下狱的下狱、该流放的流放，二张集团彻底被摧毁了。
到了第二天，张柬之又逼武则天让位。武则天没办法，只好先退一步，下令让李显监国，交出政权。张柬之等人拟《命皇太子监国制》传送各地，诏告天下，女皇已经逊位。到了第三天，在张柬之的压力下，武则天正式下诏传位李显。第四日，正月二十五日，李显正式即位，但国号未改，并加封李旦为“安国相王”，太平公主为“镇国太平公主”，大赦天下。
政变第五天，武则天移居上阳宫，由李湛负责宿卫，实际上就是被软禁起来。第六日，李显率群臣看望武则天，并加尊号“则天大圣皇帝”，这就是“武则天”的最初来历。到了二月四日，李显正式下诏改国号“大周”为“唐”，百官名称、旗帜等都遵循高宗去世前的样子，大唐正式回归。就这样，神龙政变有惊无险地结束了，武则天时代就这样终结了。