不久，中书舍人李义府首个支持”废王立武“，得到李治和武则天的重赏，很多中层官员看到支持“废王立武”有利可图，便转而支持立武则天为后。许敬宗崔义玄袁公瑜等大臣纷纷请求李治立武则天为后，李治看到有不少人支持，废立之意再次萌生。
功臣元老中的李积说了一句“此陛下家事，何必问外人”，彻底打动了李治的心，使李治和武则天在废立皇后的问题上的不利局面一下扭转过来了。同年十月十三日，李治终于颁下诏书以“阴谋下毒”的罪名，将王皇后和萧淑妃废为庶人，并加囚禁；她们的父母兄弟等也被削爵免官，流放岭南。
七天以后，李治再次下诏，将武则天立为皇后；与此同时，又将反对最力的宰相褚遂良贬为外州都督。
显庆四年（659年）四月，武则天与唐高宗达成共识将长孙无忌于志宁韩瑗来济等人削职免官，贬出京师。至此，李治基本实现了君主集权。“废王立武”事件沉重打击了关陇贵族，自魏晋南北朝以来皇权不振的情况被改变，对中国历史产生了非常大的影响。
二圣临朝
显庆五年（660年）十月，李治风疾发作，头晕目眩，不能处理国家大事，于是让武则天处理朝政。然而也让武则天和李治出现了裂痕，也导致了武则天差一点被废。
龙朔元年（661年）正月，武则天请禁止天下妇女为俳优之戏（指演滑稽戏的艺人），李治采纳并下诏。四月，李治欲亲征高句丽，在武则天及群臣劝谏下才作罢。
麟德元年（664年），李治让宰相上官仪起草了废掉武则天的诏书。墨迹未干时，武则天及时发现，软硬兼施，废后之事只好以失败告终。于是，武则天向李治建议让她一起上朝，临朝听政。二人合称“二圣”。此后，武则天的政治经验和影响力进一步增长。
由于李治在位时期国力昌盛，武则天积极窜掇李治封禅泰山。在祭祀昊天上帝时先皇配享，祭祀皇地只时太后配享。封禅的时候先由皇帝初献，公卿当亚献。但封禅毕竟没有皇后的事，于是她又说，封禅为祭地之仪，由太后配享，彰显后土之德。
让公卿当亚献非常不妥，因为男女有别。不能让外臣来祭祀。所以要让她自己充当亚献，好孝敬孝敬自己的婆婆，李治果然答应。于是，麟德二年（665年）十月，唐高宗率文武百官扈从仪仗，武后率内外命妇，从东都紫微城出发，前往泰山封禅。车乘连绵数百里，随行的还有突厥于阗波斯天竺国倭国新罗百济高句丽等国的使节和酋长。
乾封二年（667年），李治因久病不愈，命太子李弘监国。
咸亨三年（672年）四月，武则天以两万贯脂粉钱，命人根据自己的形象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，名为避先帝先后之称，实欲自尊。十二月，武则天上建言十二事
一劝农桑，薄赋徭。
二给复三辅地（免除长安及其附近地区之徭役）。
三息兵，以道德化天下。
四南北中尚（政府手工工场）禁浮巧。
五省功费力役。
六广言路。
七杜谗口。
八王公以降（下）皆习《老子》。
九父在为母服齐衰（丧服）三年（此前为一年）。
十上元《年号）前勋官已给告身（委任状）者，无追核。
十一京官八品以上，益禀入（增薪）。
十二百官任事久，材高位下者，得进阶（提级）申滞。
李治都同意，下诏颁布施行。武则天能够重视农业生产，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。所编《兆人本业》农书，颁行天下，影响很大。而武则天执政期间，其宗教政策为以佛教在道教之上。
武则天·蒙汉良篆刻
上元二年（675年），李治患的风眩症更厉害了，便与大臣们商议，准备让武则天摄政。宰相郝处俊谏道“陛下奈何将高祖太宗的天下，不传给子孙而委任给天后啊！”李治因而暂时停议。
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”。同年，太子李弘病逝，李治改立自己与武则天的二子李贤为太子。
调露二年（680年），李贤因谋逆罪被废为庶人，流放巴州。因此，李治又立武则天第三子李显为太子。
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。李治因患病而终止。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，病得很厉害，宰相以下大臣都不能晋见。同年十二月，李治驾崩于紫微宫贞观殿，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，裴炎力谏，李显生气地说”朕即使把天下都给韦玄贞，又有何不可？还在乎一个侍中吗？”武则天以此为借口将李显废黜为庐陵王，并迁于房州，转而立第四子豫王李旦为帝，是为唐睿宗。
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