永徽五年（654年）初，武則天生一女嬰，唐高宗視她如掌上明珠。有一天，王皇後獨自前來探望女嬰，等王皇後離去以後，武則天發現女嬰已死。唐高宗得知後大怒，立即下令追查凶手。侍奉宮女都一致訴說王皇後剛剛離開此地，武則天便也痛哭流涕，乘機曆數皇後的種種不端。唐高宗聽後深信不疑，認定女嬰為王皇後所害，頓生廢立之心，同時也想借廢立皇後打擊權臣。於是，他便和武則天一起來到長孫無忌府第，藉飲宴刺探他的立場。在飲宴期間，高宗先是把無忌的三個兒子拜為朝散大夫，又賜給了大量金銀錦帛，接著再吐露打算廢立皇後的心意。但長孫無忌隻是岔開話題，回避正式的表態。唐高宗和武則天沒有達到目的，隻得不快地回宮。不久，武則天又指示她的母親楊氏到無忌處說項，但卻遭到無忌的嚴詞拒絕。
永徽六年（655年）六月，王皇後與其母柳氏找來巫師，企圖用“厭勝”之術，將武則天詛咒而死。事泄之後，唐高宗在大怒之下，不但將柳氏趕出宮中，而且還想把武則天由昭儀升為一品宸妃，由於受到宰相韓瑗和來濟的反對，最後不能成事。
不久，中書舍人李義府等人得知唐高宗欲行廢皇後而立武則天的消息後，勾結許敬宗、崔義玄、袁公瑜等大臣，向唐高宗接連投遞了請求立武則天為後的表章。唐高宗看到有不少人支持，廢立之意再次萌生。
十月十三日，唐高宗又在李績等朝廷重臣的支持下，終於頒下詔書：以“陰謀下毒”的罪名，將王皇後和蕭淑妃廢為庶人，並加囚禁，她們的父母、兄弟等也被削爵免官，流放嶺南。七天以後，唐高宗再次下詔，將武則天立為皇後。與此同時，又將反對最力的宰相褚遂良貶為外州都督。
十一月初，武則天又派人將正被囚禁的廢後王氏和蕭淑妃各打一百棍杖，並割去手、足，投入酒甕之中，還氣憤不過地說：“讓這兩個潑婦的骨頭醉死酒中。”王、蕭二人在酒甕中哭喊了幾天幾夜，才氣絕而死。臨死以前，蕭淑妃大聲罵道：“阿武妖精，竟慘毒至此！願來世轉生為貓，阿武為鼠，我要活活將她喉嚨咬斷。”據說武則天後來在宮中禁止養貓，而且常常夜夢王、蕭二人披頭散發，在宮中作祟。所以，她在執掌朝政以後，就常住東都洛陽，終身不歸長安。
顯慶四年（659年）四月，武則天又捏造罪名，將長孫無忌、於誌寧、韓瑗、來濟等人削職免官，貶出京師。至此，反對武則天的大臣都被或貶或殺，一個不剩。
顯慶五年（660年），高宗患上頭風之疾，頭暈目眩，不能處理國家大事，遂命武則天代理朝政。但武則天生性霸道，故每當決事，高宗每每受製於武則天，高宗非常不滿，於是在麟德元年（664年）與宰相上官儀商議，打算廢掉武則天皇後之位。但上官儀的廢後詔書還未草擬好，武則天即已接到消息。她直接來到高宗麵前，追問此事，唐高宗不得已，便把責任推到上官儀身上。十二月，上官儀被逮捕入獄，不久，即被滿門抄斬。從此以後，唐高宗每次上朝，武則天必在簾後操縱，天下大權完全歸武後掌握，甚至連生殺大事都由武後決定，天子高宗隻能唯唯從命，所以，朝廷內外都稱為“二聖”。
乾封二年（667年）高宗因久疾，命太子弘監國。上元元年（674年）秋八月，高宗稱天皇，武後稱天後，名為避先帝、先後之稱，實欲自尊。十二月武後上表建議十二事：“一，勸農桑，薄賦徭。二，給複三輔地（免除長安及其附近地區之徭役）。三，息兵，以道德化天下。四，南、北中尚（政府手工工場）禁浮巧。五，省功費力役。六，廣言路。七，杜讒口。八，王公以降（下）皆習《老子》。九，父在為母服齊衰（喪服）三年（過去是一年）。十，上元（年號）前勳官已給告身（委任狀）者，無追核。十一，京官八品以上，益廩入（增加薪水）。十二，百官任事久，材高位下者，得進階（提級）申滯。”高宗詔皆施行之。武則天能夠重視農業生產，規定各州縣境內，“田疇墾辟，家有餘糧”者予以升獎；“為政苛濫，戶口流移”者必加懲罰。所編《兆人本業》農書，頒行天下，影響很大。武則天當政期間，繼續實行唐太宗發展農業生產、選拔賢才的政策。
上元二年（675年）三月，武後召集大批文人學士，大量修書，先後撰成《玄覽》、《古今內範》、《青宮紀要》、《少陽正範》、《維城典訓》、《紫樞要錄》、《鳳樓新誡》、《孝子傳》、《列女傳》、《內範要略》、《樂書要錄》、《百僚新誡》、《兆人本業》、《臣軌》等書。且密令這批學者參決朝廷奏議，以分宰相之權，時人謂之“北門學士”。時高宗風眩更甚，擬使武後攝政，宰相郝處俊說：“陛下奈何以高祖、太宗之天下，不傳之子孫而委之天後乎！”高宗才罷攝政之意。太子弘深為高宗鍾愛，高宗欲禪位於太子。武後想總攬大權，不滿於太子弘，剛好太子弘見蕭淑妃之女義陽、宣城二公主因母得罪而被幽禁宮中，年逾三十而未嫁，奏請出降，高宗許之。武後怒，不久太子死於合璧宮，時人以為武後所毒殺。