对此来势汹汹的反叛，武则天紧急调动30万大军，任命左玉钤卫大将军李孝逸为扬州道大总管，侍御史魏元忠为监军，日夜兼程，开赴江淮前线平叛。又任命左鹰扬大将军黑齿常之为江南道大总管，协同作战。在强大的军事进攻面前，徐敬业损兵折将，节节败退。最后登船逃走，船行到海陵（今江苏泰州），被风所阻。部将王那相突然叛变，杀了徐敬业、骆宾王等人，提着他们的脑袋投降了李孝逸。其余魏思温、唐之奇等余党也全被肃清。徐敬业反叛，从发动到失败，仅40多天。
在徐敬业反叛的时候，宰相裴炎没有积极组织力量平叛，反而向武则天建议：“睿宗皇帝年纪已经长大，却不亲理政事，这就给那些反叛的人找到借口，如果太后把权力还给睿宗，那叛乱不必讨伐就自然平定了。”这无疑是在给遇到危难的武则天雪上加霜。监察御史崔詧乘机告裴炎谋反，武则天不由分说，便命令肃政大夫（御史大夫）蹇味道、侍御史鱼承晔审理裴炎，将他逮捕入狱。著名将领程务挺、高级文官刘景先、胡元范和很多文武百官都站出来，证明裴炎没有谋反。武则天一一怀恨在心。很快，武则天以谋反罪将裴炎斩首于洛阳的都亭驿，一些替裴炎说话的人或被斩首，或被流放到边州，武则天又牢牢地掌握了中央大权。
武则天杀了裴炎，镇压了徐敬业反叛之后，总是疑心天下臣民想推翻她，为了控制人心，巩固自己的统治，她奖励告密，重用酷吏，妄捕滥杀，树立淫威。
686（唐垂拱二年三月），武则天下令铸造铜匦，设在都门，不管是谁，都可以把密奏投入铜匦，大开告密之门。为了方便告密者，武则天诏令各州县，对进京投书告密者，沿途给予驿马和五品官待遇，告密属实，给官做，不实，也不问罪。一时，告密之风盛行全国。通过告密，武则天物色到一批酷吏，专以诬告陷害，残酷刑讯为能事，著名的有索元礼、周兴、来俊臣等。通过酷吏苛刑，大开杀戒，有步骤地剪除李唐宗室和反对势力，准备最后登上皇位。
在舆论方面，武则天也为登基做了各种准备。
688年（唐垂拱四年四月），武承嗣暗中指使人在一块白石上刻了“圣母临人，永为帝业”八个字，又指使雍州人唐同泰带着这块石头连同奏表呈献太后，说是在洛水中得到的。武则天很高兴，把这块石头命名为“宝图”。五月，她亲拜洛水，接受宝图，又在南郊举行祭祀，以告谢上天。祭礼完毕，前往明堂，接受百官朝贺，自己加尊号为“圣母神皇”。七月，武则天又将宝图改名为“天授圣图”，洛水称为“永昌洛水”，出图地点称为“圣图泉”，封洛水神为“显圣侯”。
689年（唐永昌元年十一月），武则天下诏改用周历，就是以十一月为正月。自名为曌，改诏为制。不久，升武承嗣为文昌左相，武攸宁为纳言，一个武氏皇朝即将出世。
690年（武周天授元年九月九日），武则天终于登上了皇帝的宝座，实现了她长期以来梦寐以求的女皇梦。这一天，她登上则天楼，宣布大赦天下，改国号为周，改年号为天授，自称圣神皇帝，把睿宗皇帝改为皇嗣，赐给他姓武氏，又以皇太子作为皇孙。正式建立了大周王朝，史称这一改唐为周的事件为“武周革命”。
武则天从才人、昭仪、皇后、天后、太后、圣母神皇到女皇，历尽坎坷，终于成了中国历史上绝无仅有的女性帝王。武则天在神都洛阳立武氏七庙为太庙，追尊周文王为始祖文皇帝，称武氏出自姬姓。尊父亲武士彟为太祖孝明高皇帝，封异母兄武元爽之子武承嗣、武元庆之子武三思为王，堂侄武懿宗等十余人为郡王。
武则天从690年当皇帝，到705年病重退位，一共当了15年的女皇。如果从655年她以皇后身份参预朝政算起，到1705年病逝为止，前后执政50年。在这半个世纪中，武则天的统治措施，对唐代封建社会经济、政治、文化的发展，产生了很大的影响。
在武则天统治时期，对农业生产比较重视。她在政纲《建言十二事》中，把“劝农桑、薄赋徭”列为第一条，并由高宗诏令全国施行。武则天规定农业收成的好坏，是考核地方官吏政绩的重要条件。凡州县境内田畴垦群、家有余粮的官吏予以升奖，如果为政苛猛，户口流移的则必加惩罚。她组织人员编写农书《兆人本业记》，内容包括农俗四时种植之法，颁行天下，指导各地的农业生产。武则天对唐朝的赋役制度和户籍制度作了一些修改，建立更有利于生产的发展。鼓励地少人多地方的无地少地农民，迁往地多人少的宽乡耕垦，开垦的荒地可免三年租调，对于逃之他乡的农民，可以就地编附，不再遣送回乡。唐高宗死时，她宣布百姓年满50岁的免除徭役，比原来规定的60岁免役年限缩短了10年。686年（唐垂拱二年），曾下诏免去并州百姓的全部庸、调负担，终身不再交纳。
武则天统治时期，由于政策比较宽容，出现了我国最早的租佃契约关系。敦煌文书有“天授之年，张文信租地契”的记载，说明当时在边远地区也有租佃契约的出现，表明我国封建生产关系在当时有很大的变化。
这一时期，水利事业也有重大发展。684年（唐光宅元年），在朗州武陵开永泰渠。688年（唐垂拱四年），在巴西利用旧渠道开广济陂，溉田万余亩。还在涟水开新弯渠，通海州、沂州、密州。在全国其他各地，也都兴建了大小不等的水利工程，对农业生产的发展起了很大的作用。
人口的发展也是封建经济繁荣的重要标志。武则天统治时期，全国户口增长很快，652年（唐永徽三年），全国有380万户，到705年（唐神龙元年）武则天退位时增至615户。50多年间净增235万户。在封建社会，这种增殖的速度是很快的。人口的增长，既是生产发展的结果，同时也加速了经济和文化的繁荣。
武则天在政治上压抑贵戚和士族，提高庶族的政治地位。她曾下令改修《氏族志》为《姓氏录》，把后族列为第一等，其余一律以官职高下为标准，分成九等。官至五品者，皆升列士族。因此，凡立军功至五品官者，即使出身微贱，也可以跟以前的世家大族并列在一个等级中间。《姓氏录》打破了以往士族和庶族的界限，提高了出身低微的官员的地位，为普通地主所拥护，从而促使门阀制度进一步瓦解。
在压制士族的同时，武则天注重从地主阶级各阶层中广泛选拔人才。她进一步发展科举制度。690年（武周天授元年），武则天首次在洛城殿策问举人，持续了好几天才结束。由皇帝亲自面试考生，表明重视科举，并借以笼络人才。从此开创了“殿试”。703年（武周长安三年），又创武举，选拔有特异才能的军将。在辅佐高宗时，已开“南选”，即网罗江淮以南主要是岭南、黔中、福建士子参加科举考试，她称帝以后，“南选”更盛，从而使这些边远地区的人才，得到当官的机会。隋和唐初举人参加考试，没有糊名制度，评卷时容易发生舞弊。武则天上台后，采用糊名制度，使评卷人无法知道答卷人的姓名，有利于人才的选拔。
武则天统治期间，科举制度有较大的发展和完善，50年间进士科录取了1000人以上，平均每年20多人。比唐太宗贞观时期增加了一倍，是科举制度的重要奠基时期。此后一直到唐末，进士科每年录取的人数大致保持在这个水平上。
为了广招人才，武则天创立“自举”制度，规定九品以上的官员及百姓都可以自己荐举自己，只要有才能，就可以当官和提升。又创立试官制度，令存抚使10人分巡各道，荐举本道人才，武则天亲自召见，一律让这些被举的人试做某官，称为试官。这些做法也有利于收买人心，巩固她的统治。
武则天统治时期，发现、提拔了一批贤能俊杰人士。她听说王及善有才干，就准备任命他当渭州刺史去防卫契丹。经过交谈后，发现他很有政治眼光，可以担当更重要的职务，就改变主意，留在他朝内当内史。后来王及善提了很多建议，大部分为武则天所采纳。狄仁杰在当豫州刺史的时候，办事公平，执法严明，受到当地百姓的称赞，武则天听说他有才干，就把他调到京城当宰相。狄仁杰曾对武则天提过许多建议和批评，武则天也大多能采纳。此外，文臣如李昭德、魏元忠、杜景佺、姚崇、宋璟、张柬之等，武将如郭之振、娄师德、唐休璟、王孝杰等，都是当时富有才干和韬略的人才。
武则天重视加强封建国家的边防。唐高宗时，吐蕃吞并吐谷浑，又攻占了安西四镇。武则天于692年（武周长寿元年）派遣王孝杰率兵击败吐蕃，夺回安西四镇。武则天还力排众议，坚持在龟兹重设安西都护府，屯兵镇守，管辖天山以南地区，直至帕米尔。702年（武周长安二年），又在庭州（今新疆吉木萨尔）新置北庭都护府，统率昆陵、濛池两都护，管辖天山以北包括阿尔泰山和巴尔喀什湖以西的广大地区。从而加强了西北边疆地区的统治。
武则天还重视改善与周围少数民族的关系。697年（武周万岁通天二年），她一次赠给突厥谷种4万斛，杂纟采5万段，农器3000件，铁器4万斤，对发展少数民族地区的生产有帮助。
武则天统治时期，封建经济得到一定的发展，政治上能重视提拔一些有才干的人，广泛扩大封建统治阶级的社会基础，国防也得到加强。唐太宗贞观年间所取得的统一与强盛的成就，在武则天统治的半个世纪里，得到切实的巩固。
但是，女皇帝武则天又是一个消极面很大的人物。她当政时期，任用酷吏，大肆诛杀异己。这些酷吏大都出身无赖，性情残忍，专以告密陷害为生。李元礼、周兴、来俊臣所杀各数千人，来俊臣所破千余家。酷吏万国俊等人分赴岭南、剑南、黔中、安南诸道按问流人，万国俊将岭南300多流人全部杀掉，刘光业杀了900余人，王德寿杀了700人，少者也不下500人，很多无辜的人遭到残杀。名将百济人黑齿常之，历任禁军将领，多次奉使御边，吐蕃、突厥望而生畏，酷吏周兴诬告他谋反，将他下狱害死。来俊臣等人还写了一本《罗织经》，专门传授如何告密的秘诀。
酷吏们使用的刑罚名目繁多，残忍至极，以至于被捕的人看了刑具，就愿承认他们所给定的任何罪名，以求免刑。连宰相狄仁杰、魏元忠都曾被酷吏以谋反的罪名逮捕入狱，险遭杀害。酷吏的横行，其根源就在武则天。
武则天用人太滥。她放手招官，固然可以发现、提拔一些人才，但也使官僚机构急剧膨胀，增加了国家和人民的负担。她重用武氏家族和一些谄媚小人，让他们长期担任宰相、尚书、总管等要职，这些人不学无术，贪赃枉法，鱼肉百姓，影响极坏。
武则天崇信佛教，大造佛寺佛像，度人做和尚尼姑，浪费了大量钱财。她造一个“明堂”，高294尺。又兴建天枢，高105尺，基地周围170尺，用铜铁200万斤。铜铁不够用，竟征调民间农具充用，这些巨大的浪费，加重了人民的负担。她曾命天下断屠、禁止捕捉鱼虾。禁令实行了七八年，很多百姓的生计断绝。
武则天晚年放纵武氏亲族集团。侄儿梁王武三思把持朝政，和武则天的男宠张易之、张昌宗等勾结，把朝政搞得混浊不堪。705年（唐神龙元年）正月，武则天病重，宰相张柬之、崔玄日韦，中台御史敬晖、司刑少卿桓彦范、相王府司马袁恕己，五人合谋，决心诛灭二张，逼武则天交出政权，让中宗复位。
张柬之首先联络了掌管北门宿卫的右羽林大将军李多祚，又推荐桓彦范、敬晖及李湛为左、右羽林将军，掌握中央禁军。还派桓彦范和敬晖去见中宗李显，把商定的计划告诉他，李显也同意了。
经过周密的筹备，由右羽林大将军李多祚带领军队，攻下玄武门，直奔武则天居住的迎仙宫。张易之兄弟未及反抗，便被诛杀，二张党羽有的被杀，有的被贬流外地。二张势力被完全打垮。张柬之等人簇拥着李显来到武则天卧榻的长生殿，在众人的逼迫下，武则天只好极不情愿地交出了最高权力。
事变发生的第二天，以武则天名义颁布制书，命皇太子监国。第四天，唐中宗复位，李唐政权再度重建。武则天不得不离开皇宫，被迁居到洛阳宫城西南的上阳宫，受人监护。中宗率百官至上阳宫，上武则天尊号为则天大圣皇帝。
705年（唐神龙元年十二月），82岁的武则天在上阳宫去世，遗嘱说：“去掉帝号，称为则天大圣皇后。”由皇帝复称皇后，表示又回到李家来当先妣。
武则天死后，灵柩在唐中宗李显护送下运回长安，与唐高宗合葬在乾陵。临终遗嘱儿子李显为她立一块大石碑，上面不书一字。一生功过，让后人评说。如今这块“无字碑”仍巍然耸立在陕西乾陵，留给后人许多遐想。
