不久，中書舍人李義府首個支持”廢王立武“，得到李治和武則天的重賞，很多中層官員看到支持“廢王立武”有利可圖，便轉而支持立武則天為后。許敬宗、崔義玄、袁公瑜等大臣紛紛請求李治立武則天為后，李治看到有不少人支持，廢立之意再次萌生。
功臣元老中的李說了一句“此陛下家事，何必問外人”，徹底打動了李治的心，使李治和武則天在廢立皇后的問題上的不利局面一下扭轉過來了。同年十月十三日，李治終于頒下詔書：以“陰謀下毒”的罪名，將王皇后和蕭淑妃廢為庶人，并加囚禁；她們的父母、兄弟等也被削爵免官，流放嶺南。
七天以后，李治再次下詔，將武則天立為皇后；與此同時，又將反對最力的宰相褚遂良貶為外州都督。
顯慶四年（659年）四月，武則天與唐高宗達成共識：將長孫無忌、于志寧、韓瑗、來濟等人削職免官，貶出京師。至此，李治基本實現了君主集權。“廢王立武”事件沉重打擊了關隴貴族，自魏晉南北朝以來皇權不振的情況被改變，對中國歷史產生了非常大的影響。
二圣臨朝
顯慶五年（660年）十月，李治風疾發作，頭暈目眩，不能處理國家大事，于是讓武則天處理朝政。然而也讓武則天和李治出現了裂痕，也導致了武則天差一點被廢。
龍朔元年（661年）正月，武則天請禁止天下婦女為俳優之戲（指演滑稽戲的藝人），李治采納并下詔。四月，李治欲親征高句麗，在武則天及群臣勸諫下才作罷。
麟德元年（664年），李治讓宰相上官儀起草了廢掉武則天的詔書。墨跡未干時，武則天及時發現，軟硬兼施，廢后之事只好以失敗告終。于是，武則天向李治建議讓她一起上朝，臨朝聽政。二人合稱“二圣”。此后，武則天的政治經驗和影響力進一步增長。
由于李治在位時期國力昌盛，武則天積極竄掇李治封禪泰山。在祭祀昊天上帝時先皇配享，祭祀皇地時太后配享。封禪的時候先由皇帝初獻，公卿當亞獻。但封禪畢竟沒有皇后的事，于是她又說，封禪為祭地之儀，由太后配享，彰顯后土之德。
讓公卿當亞獻非常不妥，因為男女有別。不能讓外臣來祭祀。所以要讓她自己充當亞獻，好孝敬孝敬自己的婆婆，李治果然答應。于是，麟德二年（665年）十月，唐高宗率文武百官、扈從儀仗，武后率內外命婦，從東都紫微城出發，前往泰山封禪。車乘連綿數百里，隨行的還有突厥、于闐、波斯、天竺國、倭國、新羅、百濟、高句麗等國的使節和酋長。
乾封二年（667年），李治因久病不愈，命太子李弘監國。
咸亨三年（672年）四月，武則天以兩萬貫脂粉錢，命人根據自己的形象在洛陽龍門石窟雕刻盧舍那大佛。此工程歷時三年九個月完成。
上元元年（674年）八月，李治稱天皇，武則天稱天后，名為避先帝、先后之稱，實欲自尊。十二月，武則天上建言十二事：
一：勸農桑，薄賦徭。
二：給復三輔地（免除長安及其附近地區之徭役）。
三：息兵，以道德化天下。
四：南、北中尚（政府手工工場）禁浮巧。