元老大臣势力强大，李治的权力受到很大限制，以长孙无忌为首的很多大臣反对唐高宗“废王立武”，武则天前进的道路也因此充满艰辛。一般认为，李治企图借“废王立武”重振皇权，打击元老大臣势力。于是，武则天开始成为李治政治上的“战友”。

中书舍人李义府首起支持“废王立武”，得到李治和武则天的重赏，许敬宗、崔义玄、袁公瑜等大臣见机行事，也都转而支持立武则天为后。李治见有不少人支持，于是再生废立之意，而元老李积又表态说“此陛下家事，何必问外人”，使李治、武则天在废立皇后的问题上的不利局面一下扭转过来了。李治终于颁下诏书：以“阴谋下毒”的罪名，将王皇后和萧淑妃废为庶人，囚于别院，她们的父母、兄弟等也被削爵免官，流放岭南。七天以后，李治再次下诏，将武则天立为皇后，与此同时，又将反对最力的宰相褚遂良外贬，举行了册立武则天为皇后的仪式。

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武则天与李治达成共识：将长孙无忌、于志宁、韩瑗、来济等人削职免官，贬出京师。至此，李治基本实现了君主集权。“废王立武”事件沉重打击了关陇集团，自魏晋南北朝以来皇权不振的情况被改变，对中国历史产生了非常大的影响。李治风疾发作，头晕目眩，不能处理国家大事，于是让武则天处理朝政，然而也让二人之间逐渐出现了矛盾。

武则天请禁止天下妇女为俳优之戏，李治采纳。李治欲亲征高句丽，在武则天及群臣劝谏下才作罢，武则天最初能“屈身忍辱，奉顺上意”，故而李治力排众议，坚持立她为后。待到武则天得志后，“专作威福，上欲有所为，动为后所制”，李治不胜其忿。宰相上官仪请求废后，李治亦以为然，即命上官仪起草废后诏书，左右侍从及时奔告于武则天，武则天立即到李治面前自诉，使其“羞缩不忍，复待之如初”。李治又担心武则天怨怒，因此哄骗她说：“我初无此心，皆上官仪教我。”从此每当李治理政，武则天便“垂帘于后，政无大小皆与闻之，天下大权，悉归中宫，黜陟、生杀，决于其口”。

李治在位时期国力昌盛，武则天积极劝其封禅泰山，封禅时本应先由皇帝初献，公卿亚献。但武则天认为，封禅为祭地之仪，由太后配享，彰显后土之德。所以她要自己充当亚献，好孝敬自己的婆婆，李治应允，率文武百官、扈从仪仗，从东都洛阳出发，前往泰山封禅，武则天则率内外命妇随行。车乘连绵数百里，随行的还有突厥、于阗、波斯、天竺、倭国、新罗、百济、高句丽等国的首领和使节。

武则天以两万贯脂粉钱，资助僧侣在洛阳龙门石窟雕刻卢舍那大佛，此工程历时三年九个月完成。李治称天皇，武则天称天后，武则天上建言十二事，被李治悉数采纳，下诏颁布施行。武则天重视农业生产，规定各州县境内，“田畴垦辟，家有余粮”者予以升奖；“为政苛滥，户口流移”者必加惩罚。她所编农书《兆人本业》，颁行天下，影响很大。而武则天执政期间，其宗教政策以尊崇佛教为主。

李治所患的风眩症愈加严重，欲禅位给皇后，便与大臣们商议，准备让武则天摄政，因宰相郝处俊劝谏，这才暂时停议。武则天得知后，就召集了大批文人学士，大量修书，先后撰成《玄览》《古今内范》《青宫纪要》《少阳正范》《维城典训》《紫枢要录》《凤楼新诫》《孝子传》《列女传》《内范要略》《乐书要录》《百僚新诫》《兆人本业》《臣轨》等书，且密令这批学者参决朝廷奏议，以分割宰相的权力，被当时的人称作“北门学士”。

李治驾到奉天宫，当时武则天从封泰山以后，劝李治封禅中岳，因李治患病而中止。不久，李治命李显代理国政，宰相裴炎、刘齐贤、郭正一等人协助理政。李治从奉天宫回东都，病情加重，临终遗诏：太子李显于柩前即位，军国