逮捕下狱，当时律法规定，一经审问即承认谋反的人可以减免死罪。狄仁杰当场认罪道：“大周革命，万物惟新，唐室旧臣，甘从诛戮，反是实！”来俊臣得到口供，将狄仁杰等人收监，只待来日行刑，不再严加防备。狄仁杰向狱吏借来笔墨，从被子上撕下一块帛，书写冤屈情况，塞在棉衣里，请求送回家中。负责看守的王德寿并未起疑，让人送交给狄仁杰的儿子狄光远，狄光远持帛书向武则天诉冤。

武则天看罢帛书，召来俊臣前来质问。来俊臣辩称：“臣并未对狄仁杰等人用刑，连他们的冠带都未曾剥下，饮食寝宿也一切如常。假如没有谋反的事实，他们如何肯承认谋反？”武则天便派通事舍人周綝到狱中查看。来俊臣先给狄仁杰等人穿戴齐整，然后让周綝入内查看。周綝惧怕来俊臣，只是唯唯诺诺，甚至都没有看狄仁杰等人一眼，便回去向武则天复命，来俊臣还命人假冒狄仁杰等人的名义，伪造《谢死表》，让周綝呈给武则天。

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武则天决定亲自过问狄仁杰谋反案，她召见狄仁杰，询问他为何承认谋反，狄仁杰道：“我如果不承认造反，已经死于酷刑了。”武则天又问为何要作《谢死表》，狄仁杰则答称并未写过，武则天便让人拿出《谢死表》，方知道表章是伪造的，因此免去狄仁杰等大臣的死罪，全部贬为地方官。其中，狄仁杰被贬到彭泽，担任县令。此后，魏王武承嗣多次请求诛杀狄仁杰，但都被武则天拒绝。

契丹首领孙万荣作乱，攻陷冀州，一时间河北震动，武则天为了稳定局势，起用狄仁杰为魏州刺史。当时，前任刺史为了抵御契丹，尽趋百姓入城，缮修守城器具，但狄仁杰到任后，却让百姓返田耕作，孙万荣闻听狄仁杰被起复，不战而退，魏州百姓争相立碑颂德。不久，狄仁杰调任幽州都督，获赐紫袍、龟带，武则天还在紫袍上题写了十二个金字，以表彰狄仁杰的忠诚。

娄师德曾推荐狄仁杰为宰相，狄仁杰对此丝毫不知，反而在拜相多次排挤娄师德，使得娄师德最终被放为外任。武则天问狄仁杰道：“娄师德贤明吗？”狄仁杰道：“他担任将领谨慎守职，但是否贤明，我就不知道了。”武则天又问：“娄师德知人吗？”狄仁杰道：“臣曾与他同朝为官，从没听说过他知人。”武则天拿出娄师德举荐狄仁杰的奏章，道：“我用你为宰相，就是娄师德举荐的，看来他确实知人啊。”狄仁杰大惭，叹道：“娄公盛德，我被他宽容相待却不知道，我不及他太远了！”

狄仁杰再次拜相，担任鸾台侍郎、同凤阁鸾台平章事，加授银青光禄大夫。当时，朝廷征发百姓戍守安西四镇，以致怨声载道，狄仁杰为此上表劝谏，又建议废除安东都护府，复立高氏为高句丽君主，暂停江南粮草运输，抚慰河北百姓。他的建议虽未被朝廷采纳，但却得到了有识之士的赞同，不久，狄仁杰又代理纳言之职，兼任右肃政台御史大夫。

武则天到三阳宫避暑时，答应胡僧去参观埋葬佛舍利，狄仁杰跪在武则天马前，劝谏道：“佛是戎狄之神，不值得让皇帝屈尊驾临。胡僧诡计多端，是想借此迷惑百姓。况且，沿途山路艰险狭窄，容纳不下多少侍卫。皇帝乃是万乘之尊，不宜前往。”武则天便中途折回，道：“我是为了成全狄公的直臣之气。”

武则天晚年时，欲铸造一座浮屠佛像，需要花费钱财数百万，因府库不足，便让天下的僧人每日施舍一钱相助。狄仁杰进谏道：“做工不可能役使鬼神，必定要役使人力；庄稼不会从天上掉下来，终究是由地里长出来的。这么做损害的一定是百姓。如今边境尚未安宁，您应放宽徭役，免去不需急办的事务。即使雇请工匠劳作，以此接济穷人，但耽误农时，也是放弃国家根本。铸造佛像，既费官府库财，又耗人力，如果一方发生灾难，到时又用什么去救济呢？”武