神龙元年（705年）正月，武则天病笃，在迎仙宫卧床不起，只有张易之、张昌宗兄弟侍侧。宰相张柬之、崔玄暐与大臣敬晖、桓彦范、袁恕己等，交结禁军统领李多祚，佯称二张谋反。于是发动政变，率禁军五百余人，冲入宫城，杀死二张，随即包围武则天所寝集仙殿，要求她退位。武则天被迫禅位于太子李显，随后徙居上阳宫。李显复位后，率百官到观风殿问武则天起居，此后每十日一往。 又上武则天尊号为“则天大圣皇帝”，武周一朝结束。二月，唐朝复辟，百官、旗帜、服色、文字等皆复旧制，复称神都为东都。

据记载，晚年的武则天“善自粉饰，虽子孙在侧，不觉其衰老”。等到退位迁入上阳宫后，却不再梳妆打扮，面容憔悴。一次，李显入见武则天时，为此而大惊。武则天哭泣道：“我从房陵把你接回神都，固然是要把天下托付于你，而五贼（参与神龙政变的五王）却贪求事功，把我惊动到这里。”李显听后，悲泣不已，跪地“拜谢死罪”。有观点认为，正是此事，使得武三思等武氏族人仍能够参与朝政（由是三思等得入其谋）。

神龙元年十一月二十六日（705年12月16日），武则天在上阳宫的仙居殿病逝，享年八十二岁（《旧唐书》作八十三，此从《新唐书》）。遗诏省去帝号，称“则天大圣皇后”，并赦免王皇后、萧淑妃二族以及褚遂良、韩瑗、柳奭三人的亲属。神龙二年（706年）五月，与高宗合葬乾陵。

虽然唐室依照她的遗诏谥号，后来仍有数次修改：

唐隆元年（710年），改为天后。

景云元年（710年），改为大圣天后。

延和元年（712年），改为天后圣帝，不久后，改为圣后。

开元四年（716年），改为则天皇后。

天宝八载（749年），加谥则天顺圣皇后。