贞观二十三年（公元649年），唐太宗李世民驾崩，其嫔妃全部要落发，到感业寺出家当尼姑，武则天就是其中一位，时年二十六。另一方面，登基为帝的唐高宗李治，从太子时代就对武则天动心，所以，李治就下令召武则天入宫，不久，废王皇后立武则天。

一开始，李治尚能勤于政事，再加上有李世民遗臣辅助，大体亦可比拟贞观之治。但是李治本性懦弱，身体又羸弱，晚年更因风眩之疾而视力衰退，于是武后能得以代行政务，垂帘听政，终于渐渐掌握了政权。

在垂帘听政期间，武后废了太子忠，改立代王弘为太子；拉拢大臣作为心腹死党，提升武家的势力；整肃反对她的忠义之士和正人君子；并且与李治并称二圣，共同禀政。

683年唐高宗驾崩于紫微宫贞观殿，太子李显即位，是为唐中宗。但在位仅五十五天，就被武则天废黜，改立其弟李旦为帝，是为唐睿宗，此时皇帝只是傀儡而已，大权还是在武则天手中。她听从侄子武三思，侄子武承嗣之言，把与唐室有血缘关系的人全部诛杀。

公元690年，武则天平定徐敬业反叛，废唐睿宗，御则天门（紫微城正南门）即皇帝位，时年六十七岁，改国号为周，史称“武周”，建元天授，定都洛阳，降李旦为皇嗣，成为中国历史上唯一的女皇帝。692年增设北都太原为陪都。

武则天掌权与称帝期间，科举制度得到进一步完善；她开创殿试和武举，打击关陇集团，大力提拔科举出身的官员，时称“北门学士”，很多是来自中原、关东与江南等地的士人得到提拔，如狄仁杰、张柬之、张仁愿、姚崇等名臣。武则天称帝期间，社会文化艺术亦有所进步，当时佛教大兴，该时期佛寺兴建频繁，扩建的龙门石窟为其代表。史称“上承贞观，下启开元”或“政启开元，治宏贞观”。

神龙元年（公元705年），敬珲和宰相张柬之等发动神龙政变，逼迫武则天退位，李显复位，恢复了大唐国号，社稷、宗庙等恢复永淳以前旧制，将神都改回东都，废北都，恢复了两京并重的格局。李旦被立为相王。唐中宗却一直受到韦皇后、女儿安乐公主和武则天的旧有党羽武三思等人的影响，张柬之和敬珲等人先后被流放或诛杀。韦皇后有意成为第二个武则天，安乐公主则曾要求被立为皇太女。在景龙四年（710年）韦皇后和安乐公主合谋毒杀唐中宗，韦皇后立温王李重茂为帝，是为唐殇帝，并欲加害相王李旦。李旦之子，当时是临淄王的李隆基，在太平公主协助下发动唐隆政变，诛杀韦皇后、安乐公主及武氏残余势力，拥立李旦复位。