垂拱二年正月，武则天下诏还政于李旦，李旦知其并非出自诚心，“奉表固让”，武则天仍临朝称制。三月，武则天下令制造铜匦（铜制的小箱子），置于洛阳宫城前，分为延恩（献赋颂、谋求仕途者投之）、招谏（言朝政得失者投之）、伸冤（有冤抑者投之）、通玄（言天象灾变及军机秘计者投之）四匦，随时接纳臣下表疏。此举广开言路，对稳定当时的朝政起了重大作用。同时，又大开告密之门，规定任何人均可告密。凡属告密之人，国家都要供给驿站车马和饮食。即使是农夫樵人，武则天都亲自接见。所告之事，如果符合旨意，就可破格升官。如所告并非事实，亦不会问罪。同时，武则天又先后任用索元礼、周兴、来俊臣、侯思止等一大批酷吏，掌管制狱，如果被告者一旦被投入此狱，酷吏们则使用各种酷刑审讯，能活着出狱的百无一二。这样，随着告密之风的日益兴起，被酷吏严刑拷打致死的人日渐增多。于是在朝廷内外便形成了十分恐怖的政治气氛，以致大臣们每次上朝之前，都要和家人诀别，整天都惶惶不可终日。为奖励告密，武则天对告密者破例授官。是年，武则天下诏杀南安王李颖等宗室十二人，又鞭杀已故太子李贤的两个儿子，唐朝的宗室被杀戮殆尽，其中幼弱幸存的人也被流放至岭南。
武则天谋夺李唐社稷，翦除唐朝宗室，引起诸王不安，欲起兵对抗。还未有共识的时候，博州刺史、琅邪王李冲，在垂拱四年八月于博州举兵；豫州刺史、越王李贞起兵豫州，以呼应李冲。武则天分遣丘神积、魏崇裕讨伐。李冲起兵七日即败死。九月，李贞兵败自杀。武则天想尽除李氏诸王，使周兴等展开审讯，逼迫韩王李元嘉、鲁王李灵夔、黄国公李撰、东莞郡公李融、常乐公主等自杀，他们的亲信也被杀死。同年，武则天命面首薛怀义率人于洛阳建造的明堂落成，号“万象神宫”，放任百姓入内参观。[33]又命薛怀义铸大像，大像的小指也可以容纳数十人，于明堂北起五层高的天堂来收纳大像。建宫的花费达到以万亿计，政府财政为之枯竭。武则天的侄子武承嗣命人凿白石为文曰：“圣母临人，永昌帝业。”号称在洛水中发现，献给武则天，武则天大喜，命其石曰“宝图”。之后武则天加尊号为“圣母神皇”。
载初元年九月，侍御史傅游艺率关中百姓九百余人到神都，上表请武则天改国号为周，赐皇帝姓武，武则天未准许。于是百官、宗戚、四夷首领、沙门、道士及远近百姓共六万余人俱上表请愿，李旦亦自请赐姓武氏。不久，群臣奏称“凤集上阳宫，赤雀见朝堂”，武则天方准所请，于九月九日亲临则天门，大赦天下，改唐为周，改元天授。同月乙酉，上尊号曰圣神皇帝，“以皇帝（李旦）为皇嗣，赐姓武氏”。丙戌，又在神都立武氏七庙。
武则天画像
天授二年七月，法明等撰《大云经》四卷，说武则天是弥勒佛化身下凡，应作为天下主人，武则天下令颁行天下。命两京诸州各置大云寺一所，藏《大云经》，命僧人讲解，并将佛教的地位提高在道教之上。
如意元年二月，吐蕃党项部落万余人归附武周，武则天将其分置十州。五月，吐蕃首领曷苏亦率其部落请求归附，武则天派张玄遇率领精兵二万迎接。不料曷苏事情泄漏，被国人擒回。此时恰逢羌族首领昝捶率领八千余人归附，张玄遇以其部落置莱川州。
武则天春秋虽高，但善于化妆，时常容光焕发，即使是左右侍从也感觉不到她的衰老。
长寿元年九月，派大将王孝杰与阿史那忠率军出征西北。十月，王孝杰大破吐蕃，收复龟兹、疏勒、于阗、碎叶等安西四镇，[40]设安西都护府于龟兹。在群臣一致反对的情况下，武则天毅然对安西四镇增兵三万。这一措施使安西四镇从此安定，直到唐玄宗时再无反复。
长寿二年正月，武则天在万象神宫亲自主持祭典，自制宫廷乐舞《神宫大乐》，选用舞者九百人。同月，武则天听信谗言，杀太子李旦的妃子刘氏、德妃窦氏，李旦几遭诬陷，险些受祸；又降封李旦之子、皇孙李成器及恒王李成义等为郡王。九月，武则天加号“金轮圣神皇帝”，制作金轮、白象等“七宝”。旋即又为其曾祖父、祖父及父亲加谥。
长寿三年正月，武则天派将军李多祚击破叛乱的室韦。二月，派王孝杰破吐蕃孛攵论赞刃、突厥可汗俀子等各三万余人；碎叶镇守使韩思忠破薛延陀泥熟俟斤等万余人。八月，梁王武三思率“四夷酋长”请以铜铁铸天枢，立于端门外，以歌颂武则天的功德。各国君臣聚钱百万亿，买尽天下铜铁。建成后柱身碑刻文武百官和万国元首的名字，武则天亲题：“大周万国颂德天枢”，寓意武周为天下中心枢纽，统领万国。
证圣元年，武则天加号“慈氏越古金轮圣神皇帝”。十六日夜，武则天的面首薛怀义因失宠而密烧天堂，延及明堂，至清晨，二堂俱毁。她下诏重建明堂，天堂原址改作佛光寺。同月，武则天派王孝杰出征突厥。十月，突厥默啜可汗遣使请降，武则天大喜。于是同年腊月，武则天从神都出发，登嵩山，封神岳，大赦天下，改元万岁登封。
万岁登封元年三月，武则天重建的明堂落成，号曰“通天宫”，改元万岁通天。五月，营州契丹中的松漠都督李尽忠、归诚州刺史孙万荣举兵造反，攻陷营州，杀都督赵文翙。武则天派将军曹仁节、张玄遇、李多祚等率兵征讨。曹仁节等人由于误中契丹伏兵，全军覆没。接着，武氏再派武攸宜、王孝杰等率兵讨伐，均大败而归。
万岁通天二年四月，武则天铸成九鼎，从玄武门曳入宫城，令宰相、诸王率南北衙宿卫兵十余万人，连同宫中仪卫大牛、白象共同拖曳；武则天又作《曳鼎歌》，以令其相互唱和。最终将九州鼎依照各自方位列于明堂廷内。同月，武则天又派武懿宗、娄师德、沙咤忠义率兵二十万，讨伐孙万荣等部。六月，孙万荣兵败被杀，余党降于突厥。
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。来俊臣凶狡贪暴，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。