武后随同高宗驻洛阳期间，因高宗患病，自显庆五年（660）十月起，开始受委托参决朝政。这位不甘寂寞的女人乘机显示出杰出的行政才干。高宗对她处理国事的精明果断非常满意，致使她的权力与皇帝相当，两口子因而被朝臣称为“二圣”。武后还时而出点风头，借以检测自己在政治生活中的地位和影响，以求更大的发展。
龙朔元年（661），高宗想亲自率军征讨高丽，武后上表谏阻，终于使他改变主意，留在洛阳。麟德二年（665）筹备东赴泰山封禅，武后借口封禅仪注不妥当，上表争取自己率领内外命妇奠献。高宗加以考虑，决定自己行“封”礼，作为“初献”，登泰山筑坛祭天，向昊天上帝汇报成功；武后行“禅”礼，作为“亚献”，在泰山侧社首山设坛祭地。上元元年（674）年底，武后上表建议十二事，内容有：李唐皇室是玄元皇帝老子李耳的后裔，请令王公以下皆研习道家经典《老子》，每年依照明经科策试儒家经典的例子，开设道科选拔人才；父在母亡，子女服丧期由一周年增至三年，以同服父丧期相当；劝课农桑，轻摇薄赋；免除关中地区役重地区百姓的徭役；禁断各地崇尚浮巧末行的现象；息兵止战，用仁义道德感化天下；广开言路，杜绝谗口；提拔才高位低的官吏；京官八品以上者增加俸禄，等等。这些建议涉及内政外交的各个方面，是武后全面施政的一次演习。高宗下诏赞扬，全部采纳实施。次年三月，武后在邙山南坡祀先蚕，以少牢（一头猪一只羊作祭品）祭祀第一批蚕虫，百官和各地来东都的朝集使皆陪位。高宗的病情日益加重，想把皇位让给太子李弘，但太子这年四月在洛阳病故。高宗把禅让的对象转向武后，想把这位比自己大四岁的太太由贤内助推到台前，名正言顺地摄理国政。当高宗向大臣们摊牌时，大臣们对这个意料之中的安排依然感到意外，坚决表示反对。宰相郝处俊说：“皇帝像太阳，皇后像月亮，阴阳分工，各有所主，因而皇帝主管外事，皇后主管内务。如果违背这个规则，上则获罪于天，下则取怪于人。况且天下是高祖、太宗的天下，不是陛下一己的私物，陛下怎么可以偏私后族，把天下随随便便送给皇后呢？”高宗只好罢休。
武后继续锲而不舍地作着种种努力。仪凤元年（677），她劝高宗到中岳嵩山祭天，想借机再次亮相。调露元年（679）五月，继李弘立为太子已五年的李贤开始在洛阳监国。偃师人明崇俨以符咒幻术为高宗、武后所器重，委以正谏大夫职务，在太子监国前几天，为盗所杀，凶手不曾抓获。太子听宫中人私下议论，得知自己不是武后亲生，而是武后的姐姐韩国夫人所生，心中常怀恐惧。明崇俨曾多次对武后说：太子不堪继任皇帝，不如武后所生的英王李哲（显）和相王李轮（旦），英王貌似太宗，相王长相也贵不堪言。因此，武后怀疑是太子指使刺客暗杀了明崇俨。永隆元年（680）八月，武后唆使高宗下诏调查太子的恶劣行径，在东宫马坊搜出黑甲数百领，指控为谋反的物证。一个受太子宠爱的户奴屈打成招，说是自己去执行了刺杀明崇俨的任务。高宗喜欢太子，想释而不问。但武后说：“作为人子，竟对父皇谋反，如此行径，天地不容。大义灭亲，绝不能赦免。”于是太子被废为庶人，押送至长安软禁起来，所有黑甲在洛阳天津桥南予以焚毁。同时，英王被立为太子。武后左右朝政，已经初具规模。
唐高宗病逝洛阳
弘道元年（683）十二月初四，高宗下诏改年号、赦天下，以遏止自己的病情。他打算登则天门楼宣布赦书，但气逆不能乘马，就召集百姓来宫中，在殿前宣读。礼毕，他问侍臣道：“百姓高兴吗？”侍臣答道：“百姓承蒙皇恩浩荡，无不感动欣说。”他凄怆地发出哽咽的声音，说：“百姓高兴，我却快死了。天地神灵如果再叫我多活一两个月，能回到长安，我就是死了，也不遗憾。”当天夜里，他在贞观殿召见东宫平章事裴炎，向他交待辅佐太子当好皇帝的后事，随即去世。这位56岁的死者最后的心态并非对驻跸洛阳的忏悔，而是想争取时间，死在李唐的老窝长安，因为那里具有正统地位和礼仪氛围。
高宗灵驾将由其子唐中宗李哲护送，西还关中安葬。梓州射洪县（今四川省射洪县北）人陈子昂特意赶到洛阳，向中宗上书谏阻。他说：“当今关中的情况，与秦汉建都时期大不相同。燕山、代北一带，常遭受突厥的侵扰，巴蜀、陇西地区，也饱尝吐蕃的祸患。这些地方，经济残破，百姓困苦，男丁常年为向边地运输和防守而奔波，根本谈不上向关中转运粮食财物。关中连年遭灾，田地荒芜，妻离子散，虽然近两年稍有收成，但流民返回家园，生计艰难，更无蓄积。如果灵驾西迁，大队人马从哪里取得供应？何况营建陵寝，工程浩大，必然要驱使当地疲惫不堪的百姓去凿山采石，他们哪里承受得了？天子是普天下的首领，应以四海为家，何必一定要在关中安置陵寝？河洛一带同样是形胜之地，景山秀丽，超过群山，周围有嵩岳、邙山等自然风光，在这里营建园陵，是再合适不过的了。再者，洛阳北有太行山的险峻地势，南有宛、叶（今河南省南阳市、平顶山市所辖地区）富饶的物产，东达江淮地区，可利用湖海鱼盐，西通崤山，能凭借潼关、黄河。英明的帝王要想统驭淳厚的百姓，达到世道太平，就应该在这里君临天下。可惜陛下不比较瀍洛一带的壮观与关陇地区的荒凉这二者的差异，要舍弃洛口等仓城的巨量积蓄，护送灵驾西行，这是忘记了国家大计，而曲从庶民百姓那样的孝节，我认为很不恰当。希望陛下能认真审阅我这份上书，并向皇太后请示，同宰相们商量，做出正确的抉择，不要让天下百姓失望。”
这份上书没能奏效，高宗灵驾于光宅元年（684）送回关中，安葬在今陕西省乾县的乾陵。中宗没能去护送，他已被皇太后武则天废黜帝位，封为庐陵王，迁到湖北幽禁起来。武则天也没有去护送，她召见了陈子昂，发现是个人才，授以麟台正字官职。
武则天改东都为神都
武则天长驻洛阳的原因
武则天的祖籍在并州文水（今山西省文水县）。其父家资殷富，颇好交结，曾劝李渊起兵反隋，在夺取长安的行动中立有战功，因而在唐朝建立后，担任工部尚书职务。太宗皇后长孙氏去世后，14岁的武则天由于姿容端丽纳入宫中立为才人，成为太宗一位级别低下的小老婆。高宗当太子时，入宫侍奉父皇，得以和她相识，彼此产生爱慕之情。太宗死后，她同其余妃嫔在长安感业寺出家。太宗周年祭奠，高宗到寺中行香，和她不期而遇。她泣不成声，高宗也不禁潸然泪下。高宗皇后王氏正在同萧淑妃争风吃醋，想利用高宗对武则天的感情去冷落萧淑妃，就劝高宗把武则天纳为妃子。武则天因而再度入宫，封为昭仪，又成了高宗的小老婆。
武则天粗通文史，擅长权术，很快获得了专房之宠。她不甘心只做一位妃子，经过几年的惨淡经营，终于使高宗在永徽六年（655）立自己为皇后。王皇后和萧淑妃都废为庶人，幽禁起来，住室封闭严密，只在墙上开了一个小洞，勉强递进去饭菜。高宗信步走到这里，呼叫二人，不禁为她们的处境黯然伤神，表示当另有安置。两个失势的女人哭道：“皇上念及往日情分，要使我们重见光明，请把这所院子命名为回心院。”武后闻讯大怒，派人去把王萧二人痛打一顿，然后截掉手脚，扔到酒瓮中，骂道：“叫这两个娘们儿骨碎。”几天后，二人死掉。
武则天的这些经历，使人们对她长驻洛阳的原因做出两种解释。古代人说：武则天残害王萧二人后，经常看见她们闹鬼，披头散发，浑身滴血，来找自己算账。武则天很厌恶，请巫祝祷告，无济于事，就从太极宫移居大明宫，二鬼又追到这里作祟，无奈，干脆住在洛阳。这个迷信的说法尽管符合当时人们的认识水平，但在自己的逻辑内都无法成立。武则天在当皇后期间，随从高宗来洛阳只有十一年，多数时间仍在长安，可见不把厉鬼当回事。进一步的疑问是：厉鬼是否可以追到洛阳来？武则天后来在洛阳残杀皇室宗亲、公卿大臣更是变本加厉，应是厉鬼成群，她何以固着于洛阳，不再迁到另外一块干净的地方去？
现代学者岑仲勉提出另一种解释，认为武则天在长安有过一段禁绝两性关系的佛教徒生活经历，为了纵情荒淫享乐，就躲到洛阳。问题是她出家为尼姑的消息是否能封锁在长安，在洛阳的人无从知晓？况且，她先后作为父子二人的配偶，行为乱伦，比起在长安当尼姑的事，性质严重得多，天下谁人不知？当初顾命大臣褚遂良反对高宗立她为皇后，就曾以这桩不体面的婚姻为理由。后来徐敬业在扬州（今江苏省扬州市）起兵反对她废黜儿皇帝自己执政，骆宾王起草的檄文又对她的浪漫史加以抨击，企图把她搞臭。那么，她躲避到何处才能遮掩过去呢？旧史攻击她来洛阳后依次有薛怀义、沈南璆、张易之、张昌宗四个野男人。薛怀义原名冯小宝，来洛阳市场卖药，武则天通过唐高祖女千金公主的推荐结识了他，为了让他出入皇宫方便一些，就将他度为僧人，任洛阳白马寺寺主，改姓名，并与驸马都尉薛绍合族。这是垂拱元年（685）的事，武则天时年62岁。证圣元年（695），御医沈南璆又受到她的宠幸，她这时72岁。万岁通天二年（697），年青英俊的张易之、张昌宗兄弟又以善于合炼长生药受到她的任用，她这时74岁。她服了二张兄弟炼的神丹，感到很灵验。大臣们说张昌宗是仙人王子晋的后身，乘鹤吹箫，导引凡人升天登仙。她于是在缑山（在今洛阳东偃师市境内）立王子晋庙，并书写碑文，前往参拜，还创设一个叫控鹤监的机构，由二张出任长官。试想，这么一个早已到了心如枯井年岁的老太婆，是否还有怀春的心思？薛怀义等四人共同的地方在于都懂得医药保健。武则天这个时期年老体弱，希望延年益寿，更期待羽化登仙，这四人自然要随时侍奉，为她检查身体，调理健康，容易被人们看作有暧昧关系，在人们对她进行人身攻击时被说成是面首。因此，现代学者的这一解释也不能成立。
武则天在高宗死后又滞留洛阳二十年，原因应该从政治方面寻找。她不属于关陇军事贵族和关中士族，而是关东庶族，不必首崇长安。在插手政治多年的基础上，她着手改朝换代，就必须在制度上标新立异，另立系统，选择都城是其中重要的一环。她抛弃长安，都于洛阳，无非想要摆脱李唐王朝的大本营和政治、礼仪氛围，淡化甚至消泯人们对于长安和唐帝室的回忆和感情，利用洛阳，巩固新政权，建立新秩序。因此，洛阳凌驾于长安之上，便意味着关陇集团的失势和唐祚中止、江山变色。
皇太后武则天临朝称制
唐中宗即位后，武则天成为皇太后，遵照高宗遗诏参决朝政。中宗只当了55天的皇帝，便在嗣圣元年（684）二月被母后废黜。他不服气，问自己有什么罪过，太后说：“你想把天下让给韦玄贞。”韦玄贞是中宗的岳父，中宗想任命他为侍中，顾命大臣裴炎坚决反对，中宗说：“我就是把天下让给韦玄贞，又有何不可？岂在乎一个侍中职务！”不料这句随口而说的气话被有意找岔子的母亲利用。中宗被废黜后，帝位立即由他的弟弟睿宗李旦接替，但居于别殿，不得干预朝政，由太后在正殿临朝称制，治理国家。九月，一系列的制度改变普遍铺开：嗣圣年号改为光宅，嗣圣的含义是继承皇帝宝位，光宅的含义是使国家大业发扬光大，这一改变意味着儿辈已从国家政治舞台中清除出去。旗帜改从金色。东都改名为神都；宫名太初，意味着易姓受命，从头开始（建平二年，即公元前5年，西汉哀帝刘欣宣布“再受命”，即改元为“太初元将”，并自号“陈圣刘太平皇帝”。陈是舜的后裔，刘是尧的后裔，哀帝此号意为尧后禅位于舜后，是再次接受天命）。尚书省改称为文昌台，其长官左右仆射改称为左右相；下属的吏部、户部、礼部、兵部、刑部、工部，按照《周礼》改称为天官、地官、春官、夏官、秋官、冬官。中书省改称凤阁，长官中书令改称内史。门下省改称为鸾台，长官侍中改称纳言。宰相称号同中书门下三品，改为同凤阁鸾台三品。御史台改称肃政台，增设右肃政台。其它部门的长官名称，都找相应的词汇加以改订。同时大赦天下，下制求贤。太后开始自称“朕”；词标文苑科考生在对策答卷里称她为“圣母皇帝陛下”。
这时，徐敬业在扬州起兵，以拥戴中宗复位为号召。裴炎劝太后抓紧还政于中宗，以息事宁人，被太后指控为谋反，在洛阳都亭处死。正在边地抵御突厥的单于道安抚大使、左武卫大将军程务挺上表为裴炎辩护，被太后派人去军中就地杀掉。扬州的叛乱镇压下去了，但太后以为全国上下都在反对她执政，因而立即做出反应：鼓励告密，任用酷吏，实行高压统治。
垂拱二年（686），太后命铸铜为匦，安置在朝堂，以受天下密奏。这个金属匣子体型像邮筒，里面隔成四格，每格上面开一个小口，用以投入章奏文字，由专职官员取出。四格分类是：东面叫“延恩”，献赋颂、求仕进者投入；南面叫“招谏”，分析朝政得失者投入；西面叫“伸冤”，叫屈伸冤者投入；北面叫“通玄”，说天象灾变及军机秘计者投入。设置铜匦的目的在于周知天下情况，重点是了解民心的向背。这个主意是鱼保家出的，然而也正是他最先领略到个中滋味。仇人投书揭发他曾为徐敬业制造兵器，大量杀伤官军，因此，他被太后杀掉。
太后通过这件事认识到告密是不可或缺的法宝，因而为告密大开绿灯。凡是声称上神都去告密的，所在地官吏不能打听所告内容，须立即给告密者提供车马、干粮，加以护送。即使是地位卑微的农民、樵夫，也会受到太后接见。告密者都被安置在洛阳的官办招待所中，免费食宿。如果告密内容合太后心意，告密者立即被破格提拔，所说不实，不予反坐。霎时，四方告密者蜂起，涌现出一大批投机分子。胡人索元礼告密，受到太后召见，被提拔为游击将军，掌管制（诏）狱。他每推问一人，必令拉扯上数十上百人，一并治罪，因而不断受到太后召见、赏赐。于是，周兴、来俊臣、万国俊等人纷纷效尤。这批酷吏以制造冤狱为己任，编成一本数千字的《罗织经》，培训其党徒对清白无辜的人如何罗织罪状。他们制造出可怕的刑具，使受刑者瞥上一眼就吓成半死，为避免皮肉受苦，赶紧自诬谋反。不肯自诬者，会受到残酷的拷打折磨，有“定百脉”、“突地吼”、“死猪愁”多种名号。用木椽子固定受刑者的手脚，然后转来扭去，叫做“凤凰晒翅”。把受刑者的腰捆在一件东西上，然后拽着他脖子上所带的枷向前牵引，叫做“驴驹拔橛”。让受刑者跪在地上，以手捧枷，枷上堆放几层砖，叫做“仙人献果”。此外，用绳子悬挂石头，突然下砸头部，用醋灌鼻，用铁圈箍紧头部，再往里加楔子，致使骨裂渗出脑浆，等等，名目繁多，极其残忍。有时赦令下达，酷吏们抢先杀掉囚徒，然后宣读赦令。酷吏的这些行径，使人们畏惧甚于虎狼。太后却以为他们对自己忠诚不二，愈加宠任。
在这种高压恐怖政治下，政府机构不能正常运作，法律成为一纸具文，太后颐指气使，为所欲为。她曾要挟群臣说：“顾命大臣跋扈难制者有像裴炎那样的吗？将门后代能聚合亡命之徒者有像徐敬业那样的吗？能征善战的老将有像程务挺那样的吗？他们都算得上是人物，对我不利，我就能宰掉他们。诸位掂量掂量，觉得自己的能耐超过他们，就早点同我作对，不然，就乖乖地为我效力，别给天下人留下笑柄。”吓得群臣不住叩头，不敢仰视，一再表示惟命是从。垂拱三年（687），宰相刘祎之同凤阁舍人贾大隐悄悄议论道：“太后既然已把糊涂皇帝废黜，立了一个聪明皇帝，自己何必还要临朝称制？不如把政权还给皇帝，以安天下人心。”贾大隐汇报给太后，太后十分恼怒。有人诬告刘祎之接受契丹首领馈金，太后藉机令人向刘祎之宣布敕令，逮捕审理。刘祎之愤愤不平，说：“随随便便的一纸文字，未经凤阁起草、鸾台审议，算什么敕令？”太后大怒，把他赐死于家。他临刑神态自如，亲自起草谢死表，立刻写成数张纸。两位官员称赞谢死表写得好，随即被太后由洛阳贬逐到遥远的南方。
垂拱四年（688）正月，在洛阳立唐高祖、太宗、高宗三庙，虽然按照在长安时的礼仪四时享祀，但已是侨置性质。同时，立崇先庙享祀武氏祖考。太后甚至想把崇先庙立为天子级别的七庙，降唐太庙为诸侯级别的五庙，因掌管礼仪的春官侍郎贾大隐反对而暂时收敛。二月，拆除乾元殿，就地修造明堂，以薛怀义为使，督领数万人开工。太后的侄儿武承嗣在一块白石上凿上八字：“圣母临人，永昌帝业”，使人献上，诡称获于洛水。太后大喜，命其石为“宝图”。五月，她加尊号为“圣母神皇”。七月，宝图改名为“天授宝图”，洛水为“永昌洛水”，封洛水神为“显圣侯”，禁止百姓就河渔钓，命名所谓获瑞石处为“圣图泉”。同时，改称嵩山为“神岳”，封嵩山神为“天中王”，禁止百姓进山刍牧。八月，李唐宗室诸王在外地仓促起兵，企图挽救李氏江山落入武氏手里的命运，但很快被镇压下去，诸王或在外地丧生，或收至洛阳赐死。十二月，太后亲拜洛水，受宝图。明堂竣工，称为“万象神宫”，其北修天堂，贮大佛像，号为“功德堂”。永昌元年（689）正月初一，大飨万象神宫，太后身着衮冕，腰插大圭，手执镇圭，充当初献；睿宗皇帝为亚献；太子为终献。然后，太后登临则天门楼，宣布大赦天下，改元。随后几天，她在明堂接受朝贺，宣布政令，宴飨群臣。武则天在政治生活中的座次，通过这些仪式，昭示给臣僚外夷，正式称帝的前景近在咫尺。
女皇帝武则天改朝换代
永昌元年十一月初一是冬至日，太后享万象神宫，又把当年改为载初元年，表示万象更新，从头开始。采用周历十一月建正制，以这月为载初元年的正月，十二月为腊月，原正月为一月。大肆起用诸武为宰辅重臣，除唐宗室属籍。
然而武则天以女性身份面对传统的男性皇储继位制度，要想称帝，依然困难重重。于是，佛教徒配合制造舆论，以游谈无根、无从验证的前世来世说法为她服务。薛怀义伙同法明等几位僧人，利用前代佛经译本，伪造一部《大云经》奏上，说净光天女本是男身菩萨，为了解救众生，变现成为女身，下凡当人间君主，做转轮圣王。武则天的困境因此解除，立即下制颁布《大云经》于各州县。
载初元年（690）九月，一出改朝换代的闹剧在紧锣密鼓声中沸沸扬扬地展开。初三，侍御史傅游艺率领关中百姓近千人到洛阳皇宫上表，请求太后把国号由唐改为周，赐皇帝姓武。太后策略地做出不许的姿态，但提拔傅游艺为给事中。其中真正气味不难嗅到，于是百官、唐帝室宗亲、远近百姓、周边民族政权首领、佛僧道侣等各界人士六万余人，纷纷上表劝进，连睿宗也上表请求放弃李姓，赐姓武氏。初五，群臣上奏祥瑞，说有凤凰从明堂飞入上阳宫，又落到左肃政台院子中的梧桐树上，然后飞往东南；另有数万只赤雀聚集在朝堂。初七，太后批准睿宗和群臣的请求。初九，武则天亲临则天门楼，举行改朝换代的大典。她宣布改唐为周，改当年为天授元年，大赦天下，赐酒宴七日。九是阳数，她选择九月九日重阳节登基，想体现自己的前男性身份。十二日，她接受群臣所上的尊号“圣神皇帝”，降睿宗皇帝为皇嗣，赐武姓，以原皇太子为皇孙。十三日，武氏庙改为天子级别的七庙，三个侄儿武承嗣、武三思、武攸宁分别封为魏王、梁王、建昌王，武懿宗、武攸宜等十二个堂侄以及武延基等六个侄孙都封为郡王，堂姊皆为长公主。武则天作为大周政权的女皇帝，正式君临天下。
十月，武则天敕令洛阳、长安两京及各州都设置一所大云寺，责令僧人升座讲解《大云经》，改祖籍文水县为武兴县，天下姓武的人家都免除徭役。
次年正月，改旗色为赤，改置社稷于神都，纳武氏神主于太庙，而把长安的唐太庙改名为享德庙，四季享祀只有唐高祖、太宗、高宗三庙，其余四庙皆予关闭，连诸侯级别的数字也没保住。几月后，佛教因为给武则天称帝扫荡了障碍，地位确定在李唐血亲宗教道教之上。同时，委派建安王武攸宜留守长安，并把关中数十万户迁来充实洛阳。洛阳成了大周的根据地和头号政治中心，长安的政治中心地位不知不觉地取消了。
武则天称帝十五年间，相继接受过群臣所上的四个带有佛教印记的尊号，即金轮圣神皇帝、越古金轮圣神皇帝、慈氏越古金轮圣神皇帝和天册金轮圣神皇帝，都在表明她是菩萨转世后的转轮圣王，乘坐的车子是金质，统治四天下，高于乘坐银、铜、铁质依次统治三、二、一天下的转轮圣王。