武则天在万象神宫亲自主持祭典，自制宫廷乐舞《神宫大乐》，选用舞者九百人，听信谗言，杀太子李旦的妃子刘氏、德妃窦氏，李旦几遭诬陷，险些受祸；又降封李旦之子、皇孙李成器及恒王李成义等为郡王。

西突厥拥立阿史那俀子为可汗，联合吐蕃入侵武周，后突厥默啜可汗率众入侵，室韦亦反，将军李多祚击破室韦叛乱。王孝杰破吐蕃孛攵论赞刃、突厥可汗俀子等各三万余人，碎叶镇守使韩思忠大破泥熟俟斤、突厥施质汗、胡禄等，继而攻占吐蕃泥熟没斯城。四夷酋长在波斯国大酋长阿罗憾的号召下请求用铜铁铸造天枢，立于端门外，铭纪武则天功德，黜唐颂周，武则天同意。

薛怀义因失宠而密烧天堂，延及明堂，致使二堂俱毁，她遂下诏重建明堂，重建的明堂落成，号曰“通天宫”。武则天铸成九鼎，从玄武门曳入宫城，令宰相、诸王率南北衙宿卫兵十余万人，连同宫中仪卫大牛、白象共同拖曳。武则天又作《曳鼎歌》，以令其相互唱和，最终将九州鼎依照各自方位列于明堂廷内。

酷吏来俊臣欲罗告武氏诸王及太平公主，又欲诬李旦、李显与南北衙共同谋反，拟一网打尽，武氏诸王与太平公主都十分害怕，共同揭发其罪行，下狱处以极刑。来俊臣凶狡贪暴，杀人不可胜计，“赃贿如山，冤魂塞路”，武则天亦知天下愤怨，下令历数其罪状，并没收其家财。

武承嗣、武三思谋求为太子，几次使人对武则天说：“自古天子没有以异姓当做继承人的。”武则天犹豫未决，宰相狄仁杰对武后说：“姑侄之于母子，哪个比较亲近？陛下立儿子，那么千秋万岁后，会在太庙中作为祖先祭拜；立侄子，那么从未听说侄子当了天子，把姑姑供奉在太庙。”又劝武则天召还李显，自此后，武则天无意立武承嗣、武三思为太子，并将李显秘密接回洛阳。

控鹤监内供奉吉顼、张易之、张昌宗都曾请求武则天立李显为储君，皇嗣李旦亦请求逊位于李显。在来自各方面拥护李唐的压力下，武则天进一步认识到人心所向的是李唐宗室，如果再一意孤行，就会有丧失人心的危险。而在后来一次征兵中，“初募兵，无有应者，闻太子显行，北郊山头皆兵满，无容人处。”此事更加说明李唐才是众望所归，在经过多方权衡之后，武则天最终决定立李显为皇太子。

武则天解决了继承人的问题后，志得意满，加上年龄增长，开始耽于享乐，大修宫殿、佛寺。武则天的面首张易之、张昌宗兄弟年少美姿容，常傅朱粉、衣着华丽，武承嗣、武三思等都争着追捧他们，甚至为他们执鞭牵马。当时，武则天已经进入暮年，老病缠身的她长时间不能上朝，对朝政的控制力下降，她将二张兄弟当做耳目。二张逐渐插手朝政，陷害宰相魏元忠，不仅跟大臣结怨，也使得武则天回归李唐、传位太子的形势发生逆转，引起了政局的复杂化，武则天母子、君臣关系也因此空前紧张起来。据史料记载，武则天的孙女永泰公主，因与丈夫武延基和邵王李重润一起议论二张，遭人构陷，武、李被处死，永泰公主受惊而死。

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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。唐朝复辟，百官、旗帜、服色、文字等皆复旧制，复称神都为东都。

武则天在上阳宫的仙居殿病逝，享年八十二岁，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，与高宗合葬乾陵。

武则天统治时期，社会是相对安定的，农业、手工业和商业都有了长足的发展，户口也由唐高宗的380万户，增加到唐中宗的615万户，平均每年增长0.721%，这在中国古代是一个较高的增长率。武则天还改制音乐机构，将内教坊改为云韶府，习雅乐，促进宫廷音乐的发展，执政期间是唐代音乐过渡阶段，上承唐初的雅乐，下为唐中期燕乐、俗乐奠定基础。执政时期至武周建立后，与周边各国的局部战争，时起时伏，以武周胜利为多，武则天在位15年中，基本上维护了帝国的统一。