同年，酷吏来俊臣欲罗告武氏诸王及太平公主，又欲诬李旦、李显与南北衙共同谋反，拟一网打尽。武氏诸王与太平公主都十分害怕，共同揭发其罪行，下狱处以极刑。仇家争食其肉，不一会就食尽。来俊臣凶狡贪暴网罗无辜，织成反状，杀人不可胜计，“赃贿如山，冤魂塞路”。武则天亦知天下愤怨，下令历数其罪状，并没收其家财。
圣历元年（698年），武承嗣、武三思谋求为太子，几次使人对武则天说：“自古天子没有以异姓当做继承人的。”武则天犹豫未决，宰相狄仁杰对武后说：“姑侄之于母子，哪个比较亲近（武承嗣、武三思为武则天之侄，李显、李旦则为武则天之子）？，陛下立儿子，那么千秋万岁后，会在太庙中作为祖先祭拜；立侄子，那么从未听说侄子当了天子，把姑姑供奉在太庙。
”又劝武则天召还李显。自此后，武则天无意立武承嗣、武三思为太子，并将李显秘密接回洛阳。控鹤监内供奉吉顼、张易之、张昌宗都曾请求武则天立李显为储君，皇嗣李旦亦请求逊位于李显。
在来自各方面拥护李唐的压力下，武则天进一步认识到人心所向的是李唐宗室，如果再一意孤行，就会有丧失人心的危险。而在后来一次征兵中，“初募兵，无有应者，闻太子（李显）行，北郊山头皆兵满，无容人处。”此事更加说明李唐才是众望所归。在经过多方权衡之后，武则天最终决定立李显为皇太子。
退位去世
主词条：神龙政变
武则天解决了继承人的问题后，志得意满，加上年龄增长，开始耽于享乐，大修宫殿、佛寺，又修建歌功颂德的“天枢”。
武则天的面首张易之、张昌宗兄弟年少美姿容，常傅朱粉、穿着华丽的衣服。武承嗣、武三思等都争着追捧他们，甚至为他们执鞭牵马。当时，武则天已经进入真正意义上的暮年，老病缠身的她长时间不能上朝，对朝政的控制力下降，她将二张兄弟当做耳目。
二张逐渐插手朝政，陷害宰相魏元忠，不仅跟大臣结怨，也使得武则天回归李唐、传位太子的形势发生逆转，引起了政局的复杂化，武则天母子、君臣关系也因此空前紧张起来。据史料记载，武则天的孙女永泰公主因与丈夫武延基和邵王李重润一起议论二张，被构陷处死。
神龙元年（705年）正月，武则天病笃，居住在迎仙宫卧床不起，只有张易之、张昌宗兄弟侍侧。宰相张柬之、崔玄与大臣敬晖、桓彦范、袁恕己等，交结禁军统领李多祚，佯称二张谋反。
于是发动政变，率禁军五百余人，冲入宫中，杀死二张，随即包围武则天所寝集仙殿，要求武则天退位。武则天被迫禅让帝位与太子李显，随后徙居上阳宫（洛阳禁苑之东）。李显上武则天尊号为“则天大圣皇帝”，武周一朝结束。二月，唐朝复辟，百官、旗帜、服色、文字等皆复旧制，复称神都为东都。
武则天逝世地上阳宫
神龙元年十一月二十六日（月16日），武则天在上阳宫的仙居殿病逝，享年八十二岁。遗诏省去帝号，称”则天大圣皇后“，并赦免王皇后、萧淑妃二族以及褚遂良、韩瑗、柳三人的亲属。神龙二年（706年）五月，与高宗合葬乾陵
虽然唐室依照她的遗诏谥号，后来仍有数次修改：
唐隆元年（710年），改为天后。