高宗中期以后，政权逐渐由皇后武则天掌握。武则天原为太宗时期的才人，太宗死后被高宗招入宫中。她在权力斗争中获胜，被立为皇后，史称“素多智计，兼涉文史”。656年起，高宗因身体原因，许多政事都逐渐交给武则天处理，武则天成为最高统治者之一，与高宗并称“二圣”。高宗去世后，太子李显即位，是为唐中宗。因为与中宗不合，武则天不久将中宗废为庐陵王，改立四子李旦为帝，是为唐睿宗。武则天平定徐敬业的反叛后，于690年废睿宗，即皇帝位，改国号为周，即武周，定都洛阳（号称神都），改立李旦为皇嗣，成为中国历史上唯一的女皇帝。在武则天掌权与称帝的期间，国家较贞观时期有更大的发展。均田制的继续推行发展农业生产；科举制度进一步完善，开创出殿试和武举。武则天打击自北周以来的关陇集团，大力提拔科举出身的官员，时称“北门学士”，很多是来自关东与江南的士人。并且大力提拔人才，如狄仁杰、张柬之、张仁愿、姚崇等名臣将领。文化艺术亦有所进步，当时佛教大兴，武周时期的佛寺兴建频繁。

中国历史上唯一一位女皇帝武则天

神龙元年（705年），敬珲和宰相张柬之等人发动政变，逼迫武则天退位，拥立中宗李显复位，恢复了唐朝的政权。李旦被立为相王。中宗却一直受到韦皇后、女儿安乐公主和武后的旧有党羽武三思等人的影响，张柬之和敬珲等人全部被流放或诛杀。韦皇后有意成为第二个武后，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中宗，韦皇后立温王李重茂为帝，是为少帝（也称唐殇帝），并欲加害相王李旦。李旦之子，当时是临淄王的李隆基在姑母太平公主协助下发动唐隆政变，诛杀韦皇后、安乐公主及武氏残余势力，拥立李旦复位。