天授元年（690年）九月初九，67岁的武则天登上皇帝宝座，改国号为周，改元天授，立李旦为皇太子。
686三月，武则天下令制造铜匦（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，如果符合旨意，就可破格升官。同时，武则天又先后任用索元礼、周兴、来俊臣、侯思止等一大批酷吏，掌管制狱，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。于是在朝廷内外便形成了十分恐怖的政治气氛，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。
武则天抢夺李氏江山之后，成为李氏王朝遗族的眼中钉，李氏族人开始联合反抗武则天。也就引发了武则天对于李氏族人的屠杀。
唐高宗死后，武则天掌权，李氏宗室王公互相联络，出谋划策，积极准备起兵搞垮武则天。终于在武则天拜洛受图之前，越王李贞、琅邪王李冲父子在博州、豫州起兵造反。最后李冲败走走博州，于九月二十三日行至城门被守军斩杀。李贞的叛兵也是一伙乌合之众，兵无斗志，将无雄心。李贞知道李冲失败后更是归降心切，无奈（特殊字）祟裕大军压境，只好自杀了事。
后来，英国公徐世勣的孙子徐敬业，在贬官之后联合其弟徐敬猷及唐之奇、骆宾王、杜求仁等一伙因罪遭贬的失意官僚，以匡复庐陵王李显为托词在扬州起兵。他们找了个貌似废太子李贤的人，起兵。武则天以代子临朝的正统身份，于十月初六派李孝逸率兵30万讨伐徐敬业。十一月十八日，徐敬业兵败逃至海陵界，想浮海投东夷，被逆风阻挡，其将王那相斩徐敬业、徐敬献及骆宾王后投降唐军。
在平息反叛的过程中，武则天追根问底，凡参与谋划的李氏王公个个伏诛，无一幸免。经过一番争斗，李氏诸王诛杀殆尽，内政巩固，人心思定。
武则天称帝后，经过两年整顿，消除了政敌，杀掉了大部分酷吏，内政巩固，令行禁止。武则天一直忙于宫廷斗争，西边与北边吐善、突厥出兵侵扰，无力抗击，故安西四镇失守。武则天在整顿之后，着手整治疆域。
万岁通天元年（696）五月，契丹首领李尽忠和孙万荣率兵叛乱，攻陷营州，杀都督赵文翙。武则天派将军曹仁节、张玄遇、李多祚等率兵征讨。由于误中吐蕃伏兵，全军覆没。接着，武则天再派武攸宜、王孝杰等率兵讨伐，均大败而归。神功元年（697）四月，武则天又派武懿宗、娄师德、沙咤忠义率兵二十万，讨伐契丹。六月，孙万荣兵败被杀，契丹余众归降于突厥。
武则天的边疆政策是降则抚之，叛则讨之，坚决反对各民族之间的侵扰。在武则天民族政策的感召下：长寿元年（692年）二月，吐蕃、党项部落万余人归降；三月初五，天竺国遣使朝贡；五月，吐蕃酋长曷苏率部请归降；六月，别部酋长咎捶率羌蛮8000余人归降。圣历二年（699年）四月，吐蕃赞婆率所部千余人归降。
武则天以郭元振为凉州都督、陇右诸军大使南境硖口设和仁城，北境碛口设白亭军，控其要冲，拓宽州境1500里，突厥不敢侵扰。郭元振又令甘州刺史李汉通开置屯田，5年中夷夏畏慕，令行禁止，牛羊遍野，路不拾遗，积军粮可支数十年。长安二年（702年）十二月，设北庭都护府于庭州，安定了北部边境。
武后当政期间进一步发展科举制度。贞观年间共录取进士205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（690）武则天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，武则天不问出身，全部加以接见，量才任用。
圣历元年三月初九，武则天托病，派徐彦伯带一班宫人去房州设计召回李显。二十八日，李显回到洛阳，满朝文武无人知道。八月十一日，武承嗣因求太子不得，忧愤成疾而死。
神龙元年（705）正月，武则天身染重病，卧床不起，只有宠臣张易之和张昌宗侍侧。宰相张柬之与大臣敬晖、崔玄暐、桓彦范、袁恕己等率羽林军五百余人，冲入宫中，杀张易之兄弟，武则天被迫传位给太子李显，上尊号为则天大圣皇帝。恢复唐国号、百官、旗帜、服色、文字等皆复旧制，恢复以神都为东都。同年十一月卒于上阳宫，年八十二。遗制去帝号，称则天大圣皇后。神龙二年（706）五月，与高宗合葬乾陵。