长安四年（704年）十二月，则天女皇居住在长生殿养病，宰相很少能见到女皇，唯有张易之、昌宗兄弟在身旁侍候。满朝文武大臣都非常担心，如果一旦女皇晏驾，她身旁既无皇太子，又没有宰相大臣，而张易之、昌宗兄弟要玩弄权柄，其政局将如何，那是很难设想的。于是宰相崔玄暐上奏则天女皇，以为皇太子、相王仁明孝友，完全能陪为陛下侍奉药膳。宫禁是重地，请不要让异姓人进进出出，以防患于未然。
崔玄暐所说的“异姓人”，是指张易之、昌宗兄弟。崔相希望则天女皇在养病期间，能把张氏兄弟从宫中赶出去，由皇太子、相王李旦来侍奉女皇，以免节外生枝。则天女皇阅过崔玄暐的上疏，虽然口头上说：“深领卿厚意。”但仍无更改，一如从前。
神龙元年（705年）一月初，张易之、昌宗兄弟见女皇病情加重，也像热锅上的蚂蚁一样，坐立不安。他俩心里明白，他们之所以敢为所欲为、肆无忌惮，主要是有则天女皇在背后撑腰。他们曾扬言，只要有女皇在，“千人推我不能倒”；如果女皇一旦晏驾，又是“万人擎我不能起”。张易之兄弟见当时形势对他们很不利，也不甘心坐守待毙，极力谋求自安之策，开始暗中交结朝官，以为党援，以便应付时局的突变，宰相韦承庆、房融及司礼卿崔神庆等朝官，都倾心于张氏兄弟。
在这种情况下，终于发生了以宰相张柬之、桓彦范、敬晖、袁恕己、崔玄暐等五大臣为首的宫廷政变，而且取得了极大的成功。
酝酿这次宫廷政变由来已久，最早可以追溯到狄仁杰当政时期。在狄仁杰做宰相时，则天女皇很器重他，要他推荐将相之才。狄仁杰以为现任荆州长史张柬之有奇才，要把他推荐到中央任职。当时宰相姚崇也向女皇推荐，说“张柬之沉厚有谋，能断大事，且其人年老，惟陛下急用之”。则天女皇随即把他调入京城，不久即同凤阁鸾台平章事。他入相时，时年将近80，先后经狄仁杰推荐的，还有夏官侍郎姚崇、监察御史桓彦范、太州刺史敬晖等，他们都担任了要职，成为这次宫廷政变的核心力量。
据当时在社会上流传的《狄梁公传》记载：在久视元年（700年）十月，狄仁杰临去世前，曾把张柬之、桓彦范、敬晖、崔玄暐、袁恕己五人召集到一起，托付后事，他说：“所恨衰老，身先朝露，不得见五公盛事，冀各保爱，愿尽本心。”狄仁杰虽未明言“五公盛事”究竟指的是什么事，据说“五公心知目击，悬悟公意”。这明显地暗示了张柬之等人要发动宫廷政变，以恢复皇太子的帝位。
张柬之等五人将狄仁杰临终所嘱托的事记在心中，秘密做好准备，在时机成熟之时，发动宫廷政变。
左、右羽林军驻守在洛阳宫北门玄武门，是发动宫廷政变必须掌握的一支重要军事力量。有一天，宰相张柬之找来右羽林大将军李多祚，问他说：
“将军在北门几年？”
李多祚回答说30年。张柬之又问道：
“将军击钟鼎食，金章紫绶，贵宠当代，位极武臣，岂非大帝之恩乎？”
李多祚点头称是。张柬之又进一步说：
“将军既感大帝殊泽，能有报乎？大帝之子见在东宫，逆竖张易之兄弟擅权，朝夕危逼。宗社之重，于将军，诚能报恩，正属今日。”
李多祚听了，毫不犹豫地说：
“苟缘王室，惟相公所使，终不顾妻子性命。”
说完，李多祚“即引天地神衹为要誓，词义感动，义形于色”。张柬之见他态度坚定不移，遂密定诛张易之、昌宗兄弟之谋。
早在张柬之调到京城任职时，杨元琰接替了他的荆州都督府长史职务。在交接之际，二人泛舟同游长江。当小舟到了江中心，见四处无人，二人便谈及则天革命与诸武擅权之事，杨元琰慷慨激昂，心有匡复李唐皇室之意。及柬之擢任宰相之后，经奏请把杨元琰也调到京城，任羽林将军。张柬之对他说：
“记昔江中之言乎？今日之授，意不细也。”
杨元琰已意识到自己任羽林将军所担负的重任，暗中做好准备，以配合张柬之的行动。
此外，张柬之又任用桓彦范、敬晖及右散骑常侍李湛分别为左、右羽林将军，进而掌握了禁军之权。
狡黠的张易之、昌宗兄弟见禁军将领频频变动，心中起了狐疑。他们似也明白掌握禁军是立于不败之地的保证，于是便奏请则天女皇，让自己的亲信武攸宜为右羽林大将军，心中才稍为安定。
过了几天，兵部尚书、同凤阁鸾台三品、充灵武道行军大总管姚崇回到了洛阳。姚崇是遭张易之、昌宗兄弟诋毁而出任灵武道的。他一向憎恶张氏兄弟的恃宠弄权、胡作非为，又老谋深算。张柬之、桓彦范听到姚崇回到洛阳的消息十分高兴，以为大事必能成功，于是便将他们欲发动宫廷政变的计划告诉了姚崇，姚崇也很赞同，并参谋帷幄。
尽管张柬之等人计划十分隐秘而周到，但发动宫廷政变总是有一定的冒险性。成功了则万事皆休，如果万一不成，势必招致诛灭九族之大祸。在事发前，司刑少卿桓彦范把此事向老母作了禀报，以让老母事先有个思想准备。桓母深明大义，她勉励儿子说：
“忠孝不两全，先国后家可也。”
一场惊心动魄的宫廷政变终于酝酿成了。
神龙元年（705年）二月二十二日清晨，张柬之、崔玄暐、桓彦范与羽林将军李湛、李多祚、杨元琰、左威卫将军薛思行等率左右羽林兵共500余人，全副武装，浩浩荡荡地来到洛阳宫玄武门，命右羽林大将军李多祚、右羽林将军李湛与驸马都尉王同皎去东宫迎接皇太子。皇太子历尽沧桑，备受磨难，已变得谨小慎微，见羽林将军前来迎接他进宫，心中充满了疑惧和不安，迟迟不敢行动。王同皎规劝皇太子，说先帝把帝王大业交付殿下，却硬被女皇废掉帝位，幽禁多年，真是人神同愤，已经23年了。今日大臣与羽林军同心协力，以诛灭凶顽二张，恢复李氏社稷，请殿下暂去玄武门，以安抚众人。
羽林将军李湛也奉劝皇太子说：
“逆竖反道乱常，将图不轨，宗社危败，实在须臾。湛等诸将与南衙执事克期诛翦，伏愿殿下暂至玄武门，以副众望。”
但皇太子却坚持认为，凶竖张易之、昌宗兄弟实在应该诛杀。但母皇身体多日欠安，这样兵马汹汹，恐有惊吓。请众卿暂就此而止，以后再另想良策。
如果皇太子拒绝与大臣的合作，这场宫廷政变就有流产的可能，那么发动宫廷政变的将相就面临可悲的下场。李湛严肃地向皇太子晓之以大义，说之以利害：
“诸将弃家族，共宰相同心戮力，匡辅社稷，殿下奈何不哀其恳诚而欲陷之鼎镬？湛等微命，虽不足惜，殿下速出自止遏。”
李湛与王同皎苦口婆心相劝，皇太子迫不得已，这才出了东宫门。王同皎挟抱太子上马，大家簇拥着皇太子到了玄武门。皇太子既然已上了马，已身不由己，会同张柬之等大臣将士，斩关而入。
皇太子与宰相张柬之、崔玄暐、羽林军诸将士闯进了则天女皇居住的迎仙官（即集仙殿）。在廊庑下，正巧遇见了张易之、昌宗兄弟。张氏兄弟刚刚梳洗打扮完毕，见宰相张柬之等人簇拥皇太子而来，后面紧随的是剑拔弩张的羽林军将士，自知大势不妙，掉头就往女皇住处跑去。张柬之用手一挥，羽林军将士一拥而上，把他俩打翻在地，割下首级。接着，羽林军将士包围了则天女皇的寝宫长生殿。
正在卧床养病的则天女皇刚醒来不久，突然听到外面脚步急促，人声嘈杂，知道发生了变乱，一时惊惧而起，问道：
“乱者谁邪？”
女皇的话音未落，皇太子与宰相张柬之等人已来到御榻前，羽林军将士环绕侍卫。宰相张柬之回答说：
“张易之、昌宗谋反，臣等奉太子令诛之，恐有漏泄，故不敢以闻。称兵宫禁，罪当万死！”
事情已经如此，张氏兄弟已被杀死，则天女皇还能说什么呢？当她在众人中发现了皇太子，心中的石头才算落了底，便对太子说：
“乃汝耶？小子既诛，可还东宫。”
其实，张柬之等大臣只不过是把诛杀二张作为发动宫廷政变的口实，其本意则是逼迫女皇让位。贪恋帝位的则天女皇似对张柬之等人发动宫廷政变的真实意图还不清楚，以为杀了张易之、昌宗兄弟就万事大吉了，因此劝皇太子仍回东宫，依然没有传位之意。
皇太子听了，默不作声，因为他自己还不便出面说些逼迫母皇传位的话。这时，司刑少卿桓彦范走近则天女皇，明言劝说道：
“太子安得更归？昔天皇以爱子托陛下，今年齿已长，久居东宫，天意人心，久思李氏。群臣不忘太宗、天皇之德，故奉太子诛贼臣。愿陛下传位太子，以顺天人之望！”
则天女皇听了没有说话。当她发现右羽林将军李湛也在众将之列时，不满意地说：
“汝亦为诛易之将军耶？我于汝父子不薄，乃有今日！”
原来，李湛是李义府之子。李义府在高宗立武昭仪为皇后时奔走呼号，立了大功，所以事后武则天对其父子待遇很厚，不断加官晋爵。所以则天女皇以为他恩将仇报，是个负义之人。尽管李湛平日能说会道，可这时听了则天女皇的话，却似自以为理亏，羞得满脸通红，半天说不出一句话来。
则天女皇又在众人中发现了宰相崔玄暐，也不太满意地说：
“他人皆因人以进，惟卿朕所自擢，亦在此耶？”
崔玄暐听了，理直气壮地回答说：
“此乃所以报陛下之大德。”
崔玄暐不卑不亢，说话又言简意赅。则天女皇听了，一时感到无言以对。
与此同时，宰相张柬之又命羽林军将士分头行动，逮捕了张昌期、张同休、张昌仪兄弟，皆处以死刑，然后将张易之五兄弟的首级悬挂在洛阳天津桥南，向天下昭示张氏兄弟的罪行。
据说，在张易之、昌宗兄弟族灭之前，有一天，其母韦氏阿臧正坐在家中，忽然有人来报告说，有无数车马骑从已到门前停下。韦氏阿臧以为是宦官来府上办什么事，随即起身，出门迎接。可是当她走到门前时，却看不到车马、骑从的影子。她心里起了疑虑。过了几天，又有数十只狐狸，翻过院墙，来到她家，前足还捧着饭瓮。她心里更是疑惧不安。至此，全家遭到了灭族之祸。古人说：“月晕而风，础润而雨。”这大概是张易之、昌宗兄弟灭亡的先兆吧！
在皇太子与宰相张柬之率羽林军将士向则天女皇迎仙宫进发的同时，右台中丞、相王府长史袁恕己与相王也率南衙府兵行动起来，以防止其他变故，并收捕了张氏兄弟的同党宰相韦承庆、房融与司礼卿崔神庆等，把他们投入了监狱。
这次由宰相张柬之等人发动的宫廷政变，神速而又成功。后来，唐中宗把张柬之、桓彦范、崔玄暐、袁恕己、敬晖五人分别封为王，故历史上称这次政变为“五王政变”。
张柬之等“五王政变”之所以成功，原因是多方面的。则天女皇晚年多病，偏信嬖宠张易之、昌宗兄弟，二张恃宠弄权，激起了朝野上下的不满，这是其一；在传统观念的影响下，人们多以李唐为正统，特别是在武周政权末期纲纪紊乱的情况下，文武百官多思念唐德，拥护恢复李氏皇统，是人心所向，这是其二；张柬之等人与姚崇精心筹划，掌握了羽林军，而则天女皇与张易之、昌宗兄弟既未发觉，也毫无防备，这是其三。由于张柬之等人发动的这次成功的宫廷政变，宣告了武周政权的灭亡，从而也结束了则天女皇的政治生涯，使中断了多年的李氏皇统又得以恢复。