等高宗進來，武則天承笑如前，毫無慌亂之舉，待高宗打開被子想看女兒時，卻發現女兒已經死了。武則天故作吃驚，大聲悲號。高宗忙問左右的侍女，都說王皇后剛剛來過，高宗憤怒地說：「皇后殺了我的女兒。」武則天又乘機歷數王皇后的罪過，王皇后是有口難辯了。自此，高宗就下決心廢掉王皇后，立武則天為皇后。在當時的情況下，恐怕踩著自己女兒的屍體往上爬是唯一有效的方法，除此之外，真還無計可施，但就是這樣，也非一帆風順。
武則天早在掐死女兒之前，就已設法讓王皇后的堅決支持者柳爽被迫辭職，現在剩下的關鍵人物是太尉長孫無忌，武則天請母親去說情，並和高宗一起親自去看望，封官許願，軟纏硬磨，一概無效。武則天終於明白，她是無法取得關隴貴族集團的支持的，於是，她到一群不得志的寒門庶族出身的官吏那裡去尋找支持者，如中書舍人李義府、王德儉、御史大夫崔義玄、御史中丞袁公瑜以及許敬宗等人。武則天在朝廷中得到了這批人的支持，她就軟的不行，來硬的了。
李義府首發其難，率先上表請求廢王皇后而立武則天，永徽六年（公元655年）八月，唐高宗正式提出廢立皇后事宜，長孫無忌一派當然是「瀕死固爭」，褚遂良等人也來諫勸，並說皇后出自名家，不可輕易廢棄，即便要立新皇后，也應選擇名門淑女，不該立武則天這種奉事過先帝的人，並舉出妲己、褒姒等妖女亡國的前朝事例，諫阻唐高宗。在當時的宰相中，唯有李勣沒有參與搶立太子李忠之事，因此他在這時不冷不熱地說：「這是陛下自己家裡的私事，何必要問外人呢？」
九月，先貶褚遂良出朝。十月，下詔廢王皇后為庶人，立武則天為皇后。十一月，李勣主持冊後典禮。第二年，太子李忠被貶為梁王，立武則天之子李弘為太子。
武則天當皇后的目的達到了，她的第二步計劃是攫取權力。武則天當皇后以後，當務之急是把原皇后一黨徹底整垮。把王皇后、蕭淑妃禁死於冷宮，把褚遂良貶死在愛州，逼令長孫無忌自殺，又殺柳爽於象州，韓瑗被逼死在振州，這些人的主要親屬也都被殺或遭貶謫。至高宗顯慶四年（公元659年），長孫無忌的權力集團被徹底摧垮，「自是政歸中宮矣」。
據史書記載，高宗不僅懦弱寡斷，而且身體不好，經常頭暈目眩，不能理事，政事均交武後處理。「上初苦風眩頭重，目不能視，百司奏事，上或使皇后決定之。後性敏捷，涉獵文史，處事皆稱旨，由是始委以政事，權與人主侔矣。」說她的權力與高宗相等，還是輕了，其實實權還是操在武則天的手裡，尤其顯慶年間以後，更是如此，以至與高宗並稱「二聖」，與皇帝無異。
武則天專權日久，必然會從多方面產生問題。一是她自己一反過去卑躬屈膝的常態，作威作福起來；二是高宗的權力受到了極大的限制，常常覺得很憤怒。在這種情況下，高宗授意宰相上官儀起草詔書，要把武則天廢為庶人，上官儀也正想如此，就欣然從命。
武則天安插在上官儀身邊的暗探見事不好，急忙跑去告訴武則天，武則天當即跑到高宗那裡，「動之以情，曉之以理」，居然說服了高宗，使高宗覺得武則天之作為情有可原。高宗心一軟，就說自己本無此意，是宰相上官儀先提出來的。於是，武則天就使人誣告上官儀與過去的太子李忠一起謀反，上官儀、上官庭芝父子被處死，上官儀的妻子及女兒上官婉兒沒入宮廷為奴。李忠被賜死於黔州。
從此以後，高宗更加依靠武則天，每當上朝，武則天總是垂簾聽政，黜陟、生殺之權皆歸中宮，天子唐高宗只做了武則天的應聲蟲而已。
高宗鹹亨五年（公元674年）八月，「皇帝稱天皇，皇后稱天後」。至此，長達十幾年的皇后——太子權位之爭以武則天的完全勝利而告終。這場勝利，決不僅僅是武則天一人的勝利，也代表了一定的歷史性的轉折，因為代表寒門庶族地主的政治力量終於登上了歷史舞台。在這場鬥爭中，王皇后——長孫無忌一邊是一百多年來形成並延續的門閥士族地主力量的代表，是部曲佃客制經濟的代表；而在武則天——李勣這一邊，是新進的寒門庶族地主力量的代表，是契約佃農制經濟的代表。武則天的勝利，在一定意義上說是庶族地主的勝利，這次勝利標誌著魏晉以來四百多年由門閥士族掌握國家政權的歷史結束了，而新興的地主階級逐步掌握了實權。這對解放思想、活躍生產力、促進中國歷史的發展是有積極意義的。
武則天充分顯示了她政治家的氣魄，在稱「天後」後的四個月，她即以皇后的身份向高宗提出了十二條政治建議，史稱「建言十二事」。這十二項內容，是武則天經過對唐代社會長期的觀察和仔細的研究而有針對性地提出的，其中包括：一、勸農桑，薄賦徭；二、給復三輔地；三、息兵，以道德化天下；四、南北中尚禁浮巧；五、省功費力役；六、廣言路；七、杜讒口；八、王公以降皆習《老子》；九、父在為母服齊衰三年；十、上元前勳官已終告身者無追核；十一、京官八品以上益稟入；十二、百官任事久，材高位下者得進階申滯。
為了從觀念上徹底打擊舊的門閥士族，也多少有洩憤的目的，武則天另修《姓氏錄》，以取代太宗時期修的《氏族志》。《氏族志》不載武氏宗族，武則天受盡了惡氣，這次，她重修的《姓氏錄》把皇后的家族列為第一，按當時官品的高下分為九等，凡五品以上的官員皆可入錄，升入士流。這樣，大批出身於寒門的庶族地主知識分子蜂擁而來，確實給當時的政治、經濟和文化帶來了一股新鮮的生氣，這對促進當時社會的發展，確有好處。而那些關隴門閥士族的餘孽們，完全喪失了憑祖先留下的族望而陞官的政治優勢。他們當然極為不滿，諷剌《姓氏錄》是賞軍功的「勳格」，根本不是貴族志。但武則天不管這一套，她用行政的方式強行收回《氏族志》，推行《姓氏錄》，在當時造成了很大的影響。
高宗疾病纏身，隨著年齡的增長，病勢越來越重，他曾經想把皇位傳給太子李弘。太子李弘「仁孝謙謹，上甚愛之」，又加上「禮接士大夫，中外屬心」，頗有政治才能，因此，高宗對他甚為看重。但武則天卻不喜歡他，有一次，李弘發現宮中幽閉著蕭淑妃生的兩位年逾三十的姐姐，就奏請讓她們出嫁，還有幾次也違忤了武則天的心意，使之失寵於母親。其實，這是次要的，關鍵是李弘勢必與武則天爭權。於是武則天用毒酒藥死了親生兒子李弘，李弘死時七竅流血，很像他的肺疾發作。
李弘死後，立武則天的次子李賢為太子。經李弘之死的打擊，高宗病勢更加沉重，頭暈目眩不能視事，就想讓位於太子，但武則天堅決反對，高宗只得打算讓位於皇后。過了幾年，高宗還是想讓李賢監國，而李賢並不願聽武則天的話，於是，武則天就又以李賢「頗好聲色」為由，把他廢為庶人，押至京師幽禁起來。繼而立三子李顯為太子。
高宗弘道元年（公元683年）唐高宗病死，太子李顯即位，是為唐中宗。高宗臨終遺詔說：「軍國大事有不決者，兼取天後進止。」武則天以皇太后的身份臨朝稱制。一次，中宗想讓岳父韋玄貞為宰相，並授給乳母的兒子一個五品官，宰相裴炎覺得不妥，跟中宗爭執起來，中宗年輕氣盛，發怒說：「我就是把天下交給韋玄貞，又怕什麼？」裴炎感到很害怕，就跑去告訴了武則天，為了防患於未然，武則天下詔「廢中宗為廬陵王，扶下殿」，改由其四子北豫王李旦為睿宗，但睿宗住在另一個地方，不得參與政事。同時，武則天又派人逼死了廢太子李賢。武則天清除了一切阻礙勢力，準備好了登基稱帝的工作，李唐宗室知道武則天稱帝必然要除盡李氏宗族，所以十分害怕，人人自危，不斷有人起義。
在武則天臨朝稱制後的第七個月，揚州發生了徐敬業叛亂，朝中宰相裴炎也與之相勾結，可謂內憂外困。但武則天臨危不亂，她先不失時機地斬除了裴炎、程務挺等人，以除肘腋之患，又急調三十萬大軍，在不到五十天的時間裡平定了徐敬業之亂。武則天在平定叛亂後對內臣叛變十分惱火，她嚴厲訓誡群臣說：「我奉事先帝二十多年，為天下操勞憂慮可謂至忠至勤！各位公卿的富貴，都是我給你們的；天下安定，百姓康樂，也是我促成的。等到先帝去世，把天下托付於我，我不愛惜自己而愛惜百姓。現在叛亂的人，都是出自將相，你們為什麼這樣忘恩負義呢？在你們這些元老重臣之中，倔強難制有超過裴炎的嗎？糾結亡命之徒率眾征戰有超過徐敬業的嗎？在握兵的宿將之中，攻佔必勝有超過程務挺的嗎？這三個人，都是素有威望的，我還是把他們殺了。你們當中，如果有人在能力上超過了這三個人，想反叛就試一試。如果自認為超不過，那就洗心革面，好好地奉事我，不要再亂說亂動，貽笑天下了！」