同年，酷吏來俊臣欲羅告武氏諸王及太平公主，又欲誣李旦、李顯與南北衙共同謀反，擬一網打盡。武氏諸王與太平公主都十分害怕，共同揭發其罪行，下獄處以極刑。仇家爭食其肉，不一會就食盡。來俊臣兇狡貪暴網羅無辜，織成反狀，殺人不可勝計，“贓賄如山，冤魂塞路”。武則天亦知天下憤怨，下令歷數其罪狀，并沒收其家財。
圣歷元年（698年），武承嗣、武三思謀求為太子，幾次使人對武則天說：“自古天子沒有以異姓當做繼承人的。”武則天猶豫未決，宰相狄仁杰對武后說：“姑侄之于母子，哪個比較親近（武承嗣、武三思為武則天之侄，李顯、李旦則為武則天之子）？，陛下立兒子，那么千秋萬歲后，會在太廟中作為祖先祭拜；立侄子，那么從未聽說侄子當了天子，把姑姑供奉在太廟。
”又勸武則天召還李顯。自此后，武則天無意立武承嗣、武三思為太子，并將李顯秘密接回洛陽。控鶴監內供奉吉頊、張易之、張昌宗都曾請求武則天立李顯為儲君，皇嗣李旦亦請求遜位于李顯。
在來自各方面擁護李唐的壓力下，武則天進一步認識到人心所向的是李唐宗室，如果再一意孤行，就會有喪失人心的危險。而在后來一次征兵中，“初募兵，無有應者，聞太子（李顯）行，北郊山頭皆兵滿，無容人處。”此事更加說明李唐才是眾望所歸。在經過多方權衡之后，武則天最終決定立李顯為皇太子。
退位去世
主詞條：神龍政變
武則天解決了繼承人的問題后，志得意滿，加上年齡增長，開始耽于享樂，大修宮殿、佛寺，又修建歌功頌德的“天樞”。
武則天的面首張易之、張昌宗兄弟年少美姿容，常傅朱粉、穿著華麗的衣服。武承嗣、武三思等都爭著追捧他們，甚至為他們執鞭牽馬。當時，武則天已經進入真正意義上的暮年，老病纏身的她長時間不能上朝，對朝政的控制力下降，她將二張兄弟當做耳目。
二張逐漸插手朝政，陷害宰相魏元忠，不僅跟大臣結怨，也使得武則天回歸李唐、傳位太子的形勢發生逆轉，引起了政局的復雜化，武則天母子、君臣關系也因此空前緊張起來。據史料記載，武則天的孫女永泰公主因與丈夫武延基和邵王李重潤一起議論二張，被構陷處死。
神龍元年（705年）正月，武則天病篤，居住在迎仙宮臥床不起，只有張易之、張昌宗兄弟侍側。宰相張柬之、崔玄與大臣敬暉、桓彥范、袁恕己等，交結禁軍統領李多祚，佯稱二張謀反。
于是發動政變，率禁軍五百余人，沖入宮中，殺死二張，隨即包圍武則天所寢集仙殿，要求武則天退位。武則天被迫禪讓帝位與太子李顯，隨后徙居上陽宮（洛陽禁苑之東）。李顯上武則天尊號為“則天大圣皇帝”，武周一朝結束。二月，唐朝復辟，百官、旗幟、服色、文字等皆復舊制，復稱神都為東都。
武則天逝世地上陽宮
神龍元年十一月二十六日（月16日），武則天在上陽宮的仙居殿病逝，享年八十二歲。遺詔省去帝號，稱”則天大圣皇后“，并赦免王皇后、蕭淑妃二族以及褚遂良、韓瑗、柳三人的親屬。神龍二年（706年）五月，與高宗合葬乾陵
雖然唐室依照她的遺詔謚號，后來仍有數次修改：
唐隆元年（710年），改為天后。