大周女皇帝武则天驻守洛阳，统治全国，主持外事内政。在民族关系方面，这个时期，中原同契丹、突厥进行了激烈的战争；同吐蕃的战争互有胜负，虽收回安西四镇，接受吐蕃负责寇掠内地的大将论赞婆所率千余人的投降，但一直没能彻底解决问题。在内政方面，主要沿着两条线索出现一系列触目惊心、激烈残酷的活动。
一条线索是酷吏政治，这是武则天当皇太后时期酷吏政治的继续。这时的酷吏，又涌现出侯思止、王弘义、郭霸等人。这批酷吏，龌龊卑鄙，滥用威权，胡作非为。侯思止原以卖饼为生，因诬告唐宗室舒王李元名谋反而发迹。他想当御史，武则天说：“你不识字，怎能当御史？”他说：“独角兽獬豸何尝识字，但它敢冒犯邪恶，所以就叫它来断官司。”武则天立即任命他为朝散大夫、侍御史。后来，武则天打算把所没收的犯人宅第赐给他，他说：“我厌恶谋反者，不愿住这号人的宅子。”武则天更加赏识他。王弘义因诬告乡村父老作邑斋的佛事活动为谋反，杀二百余人，得以提拔为殿中侍御史。这时，制狱（即诏狱，武则天名曌，同音字避讳，改“诏”为“制”）设在皇城西门丽景门内，凡是打入此狱者，几乎没有生还的可能，王弘义戏称为“例竟门”，意思是一例完蛋。郭霸向武则天献媚，当上监察御史。一次，他的上司御史中丞魏元忠患病，他去看望，说：“我听说病人粪便甘甜则病情可忧，苦涩则不妨。我尝过大人的大便，知道不要紧。”酷吏的酷刑，有时也会轮到自己头上。天授二年（691）二月，周兴被告发有罪，武则天命来俊臣负责审讯。来俊臣问周兴：“囚犯不肯招，应当用什么办法对付？”周兴尚蒙在鼓里，得意地介绍自己的绝招，说：“嗨！这容易得很，取一只陶瓮，四周用炭火烘烤，让囚犯钻入瓮中，看他还敢不招！”来俊臣于是如法设置，对周兴说：“皇上密令我审问老兄，那么就请君入瓮。”周兴吓得连忙叩头服罪。
酷吏的种种行径，引起了正直官员们的忧虑。他们不断上疏，陈述意见。御史中丞李嗣真说：“现在告事者连绵不断，但虚多实少，恐怕有坏人居中挑拨君臣关系。自古以来，凡有狱讼，公卿大臣都要参与决断，国君三次赦免，然后才行刑。近日却不是这样，狱官个人说了算，不覆审，不上报。这样便是权由臣下，不是审慎之法，如有冤案，何从得知？臣下操纵生杀权柄，盗用主上威严，不经过司法机构的按覆和有关部门的审核，恐怕会酿成国家的祸患。”侍御史周矩说：“我听到人们纷纷议论，都说当今天下太平，何苦要谋反。难道那些被告为谋反的人都是些英雄豪杰，想当帝王不成？其实都是经不住严刑拷打才自诬为谋反的。现在满朝文武惴惴不安，都担心陛下早晨还善待自己，晚上就因酷吏罗织罪状而被陛下当作仇人。恳请陛下缓刑用仁，则天下幸甚。”武则天虽然没能采纳他们的意见，但参杂任用一批如徐有功、杜景俭、李日知等执法平恕的人当司刑丞。被告者都说：“遇来、侯必死，遇徐、杜必生。”
酷吏政治使得社会风气进一步恶化，一些寡廉鲜耻的人调动各种手段向武则天表忠心。有人从洛河中获得一块上有数点赤文的白石，作为祥瑞献上。宰相们问起缘故，这人说白石有红心。宰相李昭德大怒，大声呵斥道：“这块白石有红心，难道洛河其余石头都在谋反！”一次，暮春下大雪，宰相苏味道以为祥瑞，率百官入贺。殿中侍御史王求礼嘲讽道：“三月雪是瑞雪，那么腊月雷就是瑞雷了！”苏味道不听。百官入贺时，王求礼独不贺，对武则天说：“目前春回大地，草木滋长，而寒雪为灾，岂能诬以为瑞兆。这批入贺者全是些谄佞之辈。”武则天觉得没趣，只得罢朝。
身陷制狱的大臣，只有极个别的人以策略的方式免遭冤死。长寿二年（692）春，宰相狄仁杰等七位官员被来俊臣诬陷打入制狱中。来俊臣逼迫狄仁杰供认谋反，狄仁杰说：“大周革命，万物维新，唐朝旧臣，甘愿受诛，谋反确有其事。”来俊臣因而对他们免于严刑拷打。来俊臣的下属王德寿央求狄仁杰牵扯上杨执柔，以便给自己腾出个升官的位置。狄仁杰问如何牵扯，王德寿说：“你当春官时，杨执柔是你这个部门的员外。你就说他串通谋反，主上一定相信。”狄仁杰感叹道：“皇天后土啊，谁让我干这种坏良心的事啊！”他以头触柱，血流满面，王德寿这才罢休。在等待处死的这段时间里，狄仁杰受到的管束稍有放松。他趁机借得笔砚，拆被头帛写上冤状，缝进棉衣中，对王德寿说：“天气转热，请允许我的家属把这件棉衣改成夹袄。”王德寿不知底细，慨然允诺。狄仁杰的儿子持冤状向武则天告变，武则天询问来俊臣，来俊臣以谎话敷衍一通，即刻让王德寿伪造狄仁杰等七人的谢死表，呈给武则天。武则天召见狄仁杰，问他为什么承认谋反，他答道：“如不承认谋反，早就被打死了。”武则天又问为什么作谢死表，他说根本没这回事。武则天拿给他看，才知道是代写的。因此，狄仁杰七人免死，改为贬官、流放。
十多年的酷吏政治，在洛阳和外地，诛杀唐宗室贵戚数百家，大臣数百家，刺史、郎将以下官员不计其数。这样必然造成极大的民愤。为了平息民愤，武则天诛杀流放了一批酷吏。神功元年（697），来俊臣处死弃市，仇家争相吃他的肉，不一会儿便吃得遍体精光，还挖去他的眼睛，剥掉脸皮，剖腹取心，践踏成泥。士民互相庆贺，说：“从今以后，能睡安稳觉了。”镇压和威慑的目的已经达到，武则天对侍臣们说了一番推卸责任的话来洗刷自己：“以前周兴、来俊臣审理狱讼，总是拉扯朝臣，说他们谋反。国家有法律，我哪敢不执行。有时我也怀疑情况不实，派近臣去狱中调查，拿回来的却是囚犯自己供认的罪状，我就信以为真了。自从周兴、来俊臣等人死掉，再也没听说有谁谋反。那么以前处死的人，恐怕有冤枉的吗？”夏官侍郎姚崇说：“以前以谋反罪处死者，都是周兴等人罗织构陷所致。陛下派近臣去过问，近臣自身难保，岂敢说不是那么回事。被告发谋反的人如有反复，就要惨遭毒打折磨，不如自诬早死，还能少受些苦。现在周兴等人已经处死，我以全家百条性命作担保，今后无论京官外官，没有人会谋反，如果偶有一两起属实，我情愿受知而不告之罪。”武则天笑了笑，轻松地说：“以前的宰相都是顺成其事，陷我为淫刑之主。卿这一番话，甚合我的心意。”从此，酷吏政治告一段落。
派系争斗
内政的另一条线索是派系争斗。这时参与中枢政治活动的力量可分为外朝和内朝两类。外朝又可分为两股势力。一股是诸武集团。他们极力鼓动武则天改朝换代，在武周政权中把持要职，封爵为王，炙手可热。武承嗣、武三思都觊觎着被立为皇太子，曾引起武则天的长期考虑。另一股是或明或暗主张还政于李唐的正统派力量。在当时严峻的政治条件下，他们最初所能争取的只是在皇储问题上立子不立侄。武周刚建立一年，即天授二年（691）秋冬之交，洛阳人王庆之率领轻薄恶少年数百人上表请立武承嗣为皇太子。两位宰相认为不宜废黜现太子武（李）旦，被酷吏杀害。宰相李昭德设法在宫城西南光政门外杖杀王庆之，然后对武则天说：“天皇（高宗）是陛下的丈夫，太子是陛下的儿子。陛下受天皇的顾托而有天下，应该把天下传于子孙万代。自古以来，哪有侄儿当皇帝为其姑母立庙祭祀的事？陛下如果立武承嗣为太子，恐怕天皇的庙里要断香火了。”几年后，武承嗣、武三思又请求立为太子，武则天犹豫不决。宰相狄仁杰对她说：“姑侄和母子相比，那层关系最亲密？陛下立儿子当太子，千秋万岁后可配食太庙，承继不穷；立侄儿当太子，哪有侄儿当上皇帝把姑母配食于太庙的道理。”武则天于是打消了立侄儿当太子的念头。圣历元年（698）三月，她把庐陵王从房州（治今湖北省房县）贬所召回洛阳。现太子武旦请求仍由哥哥当太子，于是自己被改封为相王，庐陵王立为太子，名字由哲恢复为显，仍赐姓武氏。同时，武承嗣、武三思的宰相职务予以解除。武承嗣恨不能立为太子，气得一命呜呼。武三思授以特进、太子少保虚衔，监修国史。诸武力量削弱了，但武则天担心正统派会拥戴太子在中枢政治中发挥作用，抢班夺权，影响到自己的地位。
武则天在利用外朝这两股势力的同时，还要对他们加以平衡、防范和抑制，因而需要经营自己的政治力量——内朝。她不可能像男皇帝那样去依靠宦官、后妃，只能网罗亲信和学士，张易之、张昌宗兄弟成为人选。圣历元年（698），她创设控鹤府，任命二张为内供奉。第二年，置府属官员，选了一些文士充当亲信。第三年，改控鹤府为奉宸府，以张易之为奉宸令。这帮人频繁出入皇宫，为了名正言顺，武则天索性敕令由张昌宗总领，组织文士、辞人张说（悦）、宋之问等26人，在皇宫中编纂《三教珠英》，成书1300卷。因此，他们得以经常在皇宫中同武则天一起宴饮，君臣间过从亲密，十分随便，不讲究尊卑礼节。诸武集团对武则天私人政治力量敬畏有加，若即若离。诸武集团的中间分子对于二张，往往候其门庭，争执鞭辔，并且依照家奴尊称主子的惯例，不称官衔，而依其行第称张易之为五郎，张昌宗为六郎。正统派则对二张恨之入骨。
二张不是通过正常仕途步入高层政治的，缺乏根基，前途存在严重的危机。有人给他们分析情况出主意，说：“公兄弟如此富贵荣宠，并不是凭自己的德业取得的。天下人对你们怀着仇恨。你们若无大功，靠什么来保全自己？现在，全国上下依然对唐朝念念不忘，都思念庐陵王。主上年事已高，须立皇嗣托付大业，武氏诸王已不在考虑范围。你们何不劝主上立庐陵王为太子，这样不只是可以免遭祸患，还可以长保富贵。”二张于是多次劝说武则天，促成她下决心召回庐陵王立为太子。二张此举完全是政治投机。武则天知道是别人为他们出的主意，因而绝不会怀疑他们偏离内朝政治倾向。太子也不会感激他们，正统派也不会缓和同他们的关系。
武则天已年近八十，精力不支，政事多委托二张处理。二张权势显赫，受到武则天的绝对信任。圣历二年（699），内史王及善见二张参与内宴时不遵行人臣礼，多次上奏以为不妥当。武则天对他说：“你老了，不必也参与内宴了，管好你部门里的事就妥了。”王及善于是称病请假，一个月过去，武则天居然不闻不问。王及善叹息不已，说：“岂有身为中书令而皇上可以一日不见的道理！时事如何，由此可知！”大足元年（701）九月，太子的长子、十九岁的邵王武（李）重润，同妹妹永泰郡主、妹夫魏王武延基（武承嗣子），悄悄议论二张肆意入宫，专政跋扈。张易之向武则天诉说此事，武则天对于自己的亲骨肉也绝不手软，逼令三人自杀。
作为内朝，二张的职责是注视和防范正统派联合太子剥蚀武则天的权力。杀掉邵王三人的下一个月份，武则天幸长安，住了整整两年。长安更多地带给人们的是对于李唐政权的回忆，复唐的呼声日渐高涨。长安二年（702）五月，苏安恒向武则天上疏，指出：“天下是高祖、太宗的天下，陛下虽然继任皇帝，却系依据唐氏旧有的基业。现在太子已经召回，年富力强，德业隆盛。陛下贪图帝位，不肯让太子登极，置母子间的深恩于不顾。陛下有何脸面去参拜唐家宗庙？带着什么样的封号去见天皇大帝的陵寝？我认为不管是天意还是人事，陛下都该把政权归还李家，否则物极必反，器满必倾，会闹出大乱子。”这类话武则天听得耳朵都磨出茧子了，似乎已经习惯，因而没有怪罪这位地位卑微又明着干的上疏者，但政柄绝不交出。
次年九月，二张向武则天举报当过太子属官的御史大夫、宰相魏元忠与人谋议说：“主上老了，咱们不如倚仗太子，结为耐久朋。”凤阁舍人张说答应出面作证。武则天气得火冒三丈，召当事人殿前参对。正统派官员同仇敌忾，纷纷对当过内朝学士的张说做思想工作。同是凤阁舍人的宋璟告诫他不要偏私邪恶、陷害忠良。殿中侍御史张廷珪引孔子的话“朝闻道，夕死可矣”，给他打气。左史刘知幾以自己秉笔修史吓唬他：史书可是白纸黑字，不要在上面留下污点，让子孙背黑锅抬不起头。而二张已经对他许诺过高官厚禄。两种力量都在拉拢张说，他的向背会对事态的进展带来严重影响。从后来他鼓动太子李隆基谋杀其父睿宗朝廷中执掌实权的姑母太平公主以固位夺权来看，他是个惯于投机的侥幸之徒。这时，他无疑分析了政治力量各方的消长趋势，权衡了利弊，因而对武则天说：“我从来没听到魏元忠讲过这番话，是张昌宗逼我作伪证的。”二张失望，揭发道：“张说曾经称魏元忠为伊尹、周公，不是要谋反是什么？”这是个厉害的罪名，意味着正统派不但会像伊尹流放太甲那样把武则天废掉，而且会像周公摄政那样把太子作为当今的周成王推出来做傀儡，自行国政。但张说辩解道：“我的确讲过魏元忠身负伊尹、周公那样的宰辅重任。伊尹、周公，做臣子极为忠诚，赢得古今一致的仰慕。陛下任用魏元忠当宰相，不叫他效法伊尹、周公，叫他向什么人学习才对？”武则天盛怒不解，认为张说是反复小人，连同魏元忠一并贬逐到岭南。苏安恒、朱敬则都上疏反对这样处分。苏安恒甚至激烈指责武则天早已成为惯于接受巧言献媚的君主，倦怠政事，致使谗邪小人结党为患。二张见到苏安恒的疏文，气急败坏，想杀掉他，禁军将领桓彥範保护以免。
这一回合的真相今天已很难搞清楚。流传下来的史书，系依据刘知几、魏元忠、张说等人所修的实录、国史而编纂，不可能留下有利于二张的记载。依照逻辑进行猜度，二张诬陷的可能性不大。那么多人给张说做思想工作，其中必有蹊跷。魏元忠居要职后，多次大起大落，险遭杀头，说明处事不够沉稳，此时说些冒失话并非不可能。二张和魏元忠对垒，不必顾忌什么，但牵连而冒犯太子，则与劝立太子而长保富贵的初衷相违背，自乱阵法，难免自贻伊戚，自己何苦要无中生有，搬起石头砸自己的脚？
处理完魏元忠一案，武则天返回洛阳。斗争在洛阳继续进行。正统派一方面经营自己的力量，一方面拿二张开刀，企图摧毁内朝势力，架空武则天。长安四年（704）七月，宰相韦安石举报二张作威作福，强买土地，武则天命他同宰相唐休璟一起推问，事未了便加以干涉，命二相出京当外官。唐休璟临行前，暗地告诫太子多加防备。接着，武则天病重，在宫城长生院疗养，接连数月不接见宰相，只有二张侍奉护理。年底，武则天病情稍见好转，宰相崔玄暐奏称太子和相王仁爱孝顺，足以侍奉汤药，请不让异姓人出入宫闱。武则天不听，因为知道自己这两个儿子都不懂得医道和护理。
武则天病笃，正统派频频发难，二张感到自己的安全毫无保障，出于被动的防卫考虑，开始引用党援，暗做防备。后来二张被杀，牵连而遭贬逐的人是杜审言、刘允济、宋之问、阎朝隐等等辞人学士，看来二张有可能串联到的人不过是些造反三年不成的秀才。二张没有去勾结军将或拉拢权臣。尽管如此，街头还是不断出现正统派散发或张贴的传单，说二张要谋反。武则天一概不问。又有人上告张昌宗曾召术士相面，术士说他有天子相，劝他在祖籍定州（治今河北省定州市）修造佛寺，即会天下归心。武则天于是命御史中丞宋璟等人着手审讯，旋以张昌宗曾向自己汇报过相面的事，特令免于追究。桓彥範、崔玄暐、宋璟执奏不休，武则天不得已，着令张昌宗到御史台受审。宋璟迫不及待，站在院子中即开始审讯，突然，宦官前来宣布武则天的特赦令，张昌宗随宦官回宫。宋璟后悔不已，感叹道：“没有先把这小子打个脑浆迸裂，真遗憾！”看来武则天根本不相信二张谋反，需要他们护理自己垂危的身体，也需要他们维护自己手中的政柄，假若牺牲掉二张，自己的这些利益就会顿时丧失，落到舐糠及米的下场。
宫城喋血
武则天病倒的这几个月，出现了权力真空的局面。这时，年近八十的正统派首领张柬之，由已故的狄仁杰和外出西北任事的姚崇几度推荐，被委以宰相职务。他联络宰相崔玄暐，禁军将领敬晖、桓彥範，司刑少卿袁恕己，到东宫迎请皇太子，在神龙元年（705）正月（已恢复一月为正月旧制）二十二日，发动了军事政变。五百余名羽林军兵士在张柬之的率领下，从北门玄武门杀进宫城。他们在迎仙宫的廊屋杀掉了二张兄弟，包围了武则天卧病的长生殿。武则天被乱糟糟的声音惊醒，问是怎么回事。政变者答道：“张易之、张昌宗谋反，我们奉太子令杀他们，怕走漏风声，没敢事先汇报。”武则天白了太子一眼，嘲讽道：“原来是你！既然那俩小子已被杀掉，你可以回你的东宫了。”桓彥範步步为营，说：“太子岂能再回东宫！以前他由天皇托付给陛下，如今年纪不小了，久居东宫为皇嗣，天意人心，思念李氏。群臣不忘太宗、天皇的恩德，所以奉太子诛杀乱臣贼子。愿陛下传位于太子，以顺天应人。”武则天无奈，第二天下制由皇太子监国，第三天传位于太子。第四天，唐中宗在明堂正式复位。二张连同在政变中被杀的三个弟弟，一并在天津桥南枭首示众。
第五天，武则天从皇宫被迁至城外的上阳宫，由政变将军宿卫，实为幽禁。第六天，中宗率百官前往请安，给她上尊号为则天大圣皇帝；此后，每隔十天去探视一次。中宗亲政了，国号随即恢复为唐，张柬之、崔玄暐、敬晖、桓彥範、袁恕己五位政变领袖都封为郡王。
武则天病逝上阳宫
政变给了武则天极大的打击，使她病情恶化，精神崩溃。她懒得再梳头洗脸，形容极其憔悴。中宗见到母亲这副模样，非常惊骇。武则天哭着数落他：“我把你从房州接回来，本来就是为了把天下交付给你。可是，那五个乱臣贼子贪图立功，急于下手，把我吓成这样。”中宗跪在地上，悲痛不胜，啜泣不止，连连称死罪死罪。当年十一月，武则天在上阳宫的仙居殿病逝，终年82岁。
这位女强人，以皇后、皇太后、皇帝的身份，在中国政坛叱咤风云达半个世纪之久，然而临死前发现自己终究跳不出封建礼制的窠臼。她必须按照这一套规矩同丈夫合葬，以一个正规的名号入主太庙。因此，她的遗制交待取消自己的皇帝称号，改称为“则天大圣皇后”，把自己确定到李家先妣的坐标上。第二年五月，她的灵柩在乾陵同高宗合葬。陵前立碑，无论是儿皇还是臣子，对她的经历和行径，都感到无法措辞，只好空白，成为一块独特的无字碑，留待后人凭自己的认识和想象去填充内容。
渐受冷落的东都
唐中宗拒绝巡幸东都
唐中宗复位后，着手恢复李唐政权。神都依旧称为东都，社稷、宗庙、陵寝、郊祀、官名、行军旗帜、服色、文字等等，都按高宗时的制度加以恢复；迁武氏七庙神主于长安。武则天葬后五个月，中宗由洛阳返回长安，不敢再轻易东幸一步。景龙三年（709），关中灾情严重，粮价暴涨，运山东、江淮粮食到长安，牛十之八九累死在运输途中。群臣纷纷建议巡幸洛阳。皇后韦氏出身于关中氏族，不愿意离开老家而东迁，群臣再建议时，中宗发脾气，说：“哪有到处奔波找饭吃的天子！”朝廷坚持不东迁，居然也在长安度过了难关。后经唐睿宗到唐玄宗初年，皇帝们八年不复东幸。那么，关中供应困难并不一定导致帝王东幸洛阳。这表明李唐皇室首崇长安政策的恢复，和对洛阳地位的矫正、调整，使它依然从属于长安。
为了确保长安的安全，唐廷把注意力集中到防范北边的突厥和西边的吐蕃寇边的问题上。景龙二年（708），朔方军大总管张仁亶（愿）奏请中宗，筑成三受降城。三城都在今内蒙古地区，各距四百里，南临黄河，遥相应接，牵制突厥的内犯。景龙四年（710），中宗以金城公主和吐蕃赞普和亲，以改善双边关系。景云二年（711），睿宗在凉州（治今甘肃省武威市）设置了第一个藩镇——河西镇，以凉州都督贺拔延嗣领节度使。开元二年（714），玄宗又在鄯州（治今青海省乐都县）置陇右藩镇，以陇右防御副使郭知运领使；后来又在益州（治今四川省成都市）置剑南藩镇。到玄宗时，一共设置了九个藩镇，责任是防边，防御吐蕃的就有这三个，长安的安全一度有了保障。
