咸亨三年（672年）四月，武则天以两万贯脂粉钱，资助僧侣在洛阳龙门石窟雕刻卢舍那大佛。此工程历时三年九个月完成。 

上元元年（674年）八月，李治称天皇，武则天称天后。十二月，武则天上建言十二事，被李治悉数采纳，下诏颁布施行。武则天重视农业生产，规定各州县境内，“田畴垦辟，家有余粮”者予以升奖；“为政苛滥，户口流移”者必加惩罚。她所编农书《兆人本业》，颁行天下，影响很大。而武则天执政期间，其宗教政策以尊崇佛教为主。

上元二年（675年），李治所患的风眩症愈加严重，便与大臣们商议，准备让武则天摄政，因宰相郝处俊劝谏，这才暂时停议。武则天得知后，就召集了大批文人学士，大量修书，先后撰成《玄览》《古今内范》《青宫纪要》《少阳正范》《维城典训》《紫枢要录》《凤楼新诫》《孝子传》《列女传》《内范要略》《乐书要录》《百僚新诫》《兆人本业》《臣轨》等书；且密令这批学者参决朝廷奏议，以分割宰相的权力，被当时的人称作“北门学士”。

永淳二年（683年），李治驾到奉天宫，当时武则天从封泰山以后，劝李治封禅中岳，因李治患病而中止。不久，李治命李显代理国政，宰相裴炎、刘齐贤、郭正一等人协助理政。李治从奉天宫回东都，病情加重，于同年十二月驾崩，临终遗诏：太子李显于柩前即位，军国大事有不能裁决者，由天后（武则天）决定。四天以后，李显即位，是为唐中宗，尊武则天为皇太后。

太后称制

嗣圣元年（684年）二月，李显打算任命韦皇后之父韦玄贞为侍中，在遭裴炎阻止后，怒道：”朕即使把天下都给韦玄贞，又有何不可？还在乎一个侍中吗？” 武则天于是将李显废黜为庐陵王，迁于房州，转而立第四子豫王李旦为帝，是为唐睿宗。武则天仍临朝称制。 九月，武则天改元光宅，改东都为神都，同时令旗帜皆从金色，官服颜色、职省名称一并改易，赐宫城名为太初宫。同月，徐敬业等以扶持庐陵王为号召，在扬州举兵反武，十多天内就聚合了十万部众。武则天当即以左玉钤大将军李孝逸为扬州道大总管，率兵三十万前往征讨。十一月，徐敬业兵败自杀。