唐高宗中期后，朝廷实权逐渐由武则天掌握。武则天原为唐太宗的才人，太宗死后被高宗召入宫中，在权力斗争中获胜，被立为皇后，史称“素多智计，兼涉文史”。公元660年，李治因身体原因让她处理朝政，因此与唐高宗并称为“二圣”。683年唐高宗驾崩于紫微宫贞观殿，太子李显即位，是为唐中宗。684年，武则天因李显与之不合，将他废为庐陵王，另立四子李旦为帝，是为唐睿宗；同时改元光宅，改东都洛阳（唐太宗时营建洛阳宫，高宗改之为东都）为神都。

武周代唐，又称“武周”。

载初元年（690年）秋七月，薛怀义、法明等佛教僧人撰《大云经》，称武则天为弥勒佛下凡，应代唐为王。于是武则天令各州置大云寺以宣扬。

载初元年（690年）九月三日，傅游艺率关中百姓九百余来到神都上表请武则天改国号曰周，赐皇帝姓武氏，武则天没有准许；于是文武百官、帝室宗戚、远近百姓、四夷国王、沙门道士共计6万余人，俱上表，唐睿宗亦上表自请赐姓武氏。

九月五日戊寅，群臣上言：“有凤凰从明堂飞入上阳宫，落在肃政台梧桐树上。”武则天便前往观看；过了很久凤凰向东南飞去，恰好武则天赶到，此时朱雀数万云集朝堂，不肯离去。看到此景，一位大臣立即跪倒在地，向武则天解释道：“凤凰象征的就是神皇您，它飞到肃政台，见到您后才离开，就是在暗示您登基大宝，改国号为周；这些朱雀代表的正是臣下我们，您如果还是不登基，就是违背天意，朱雀们便不会离开，我们也将长跪不起呀！”

九月七日庚辰，武则天认可了唐睿宗及群臣之请。

九月九日，武则天御则天门，大赦天下，改唐为周，改元天授，定都神都（洛阳）。

九月十一日，上尊号曰圣神皇帝，降皇帝为皇嗣，赐姓武氏；次日立武氏七庙于神都。

690年，武则天平定徐敬业反叛，废唐睿宗，御则天门（紫微城正南门）即皇帝位，改国号为周（史称武周），定都洛阳，降李旦为皇嗣，成为中国历史上唯一的女皇帝。武则天掌权与称帝期间，科举制度得到进一步完善；她开创殿试和武举，打击关陇集团，大力提拔科举出身的官员，时称“北门学士”，很多是来自中原、关东与江南等地的士人得到提拔，如狄仁杰、张柬之、张仁愿、姚崇等名臣。武则天称帝期间，社会文化艺术亦有所进步，当时佛教大兴，该时期佛寺兴建频繁，扩建的龙门石窟为其代表。史称“上承贞观，下启开元”或“政启开元，治宏贞观”。

神龙元年（705年），敬珲和宰相张柬之等发动神龙，逼迫武则天退位，李显复位，恢复了大唐国号，社稷、宗庙等恢复永淳以前旧制，神都洛阳改回东都，李旦被立为相王。唐中宗却一直受到韦皇后、女儿安乐公主和武则天的旧有党羽武三思等人的影响，张柬之和敬珲等人先后被流放或诛杀。韦皇后有意成为第二个武则天，安乐公主则曾要求被立为皇太女。在景龙四年（710年）韦皇后和安乐公主合谋毒杀唐中宗，韦皇后立温王李重茂为帝，是为唐殇帝，并欲加害相王李旦。李旦之子，当时是临淄王的李隆基，在太平公主协助下发动唐隆，诛杀韦皇后、安乐公主及武氏残余势力，拥立李旦复位。