貞觀二十三年（649），太宗病逝，其子李治繼位，改元永徽，是為高宗。高宗即位之後，朝廷大權掌握在以長孫無忌為首的關隴貴族手中。永徽時期，文臣武将基本上都是貞觀舊臣。高宗亦以繼承父業為己任，登基之初，勤于政事，樂于納谏，與民休息。史稱：永徽之治，有貞觀之遺風。高宗時期，全國人口在繼續增加，經濟在進一步發展。
武則天（624—705），山西文水人，名曌，因被尊為“則天大聖皇後”，史籍多稱其為武則天。其父武士彟原是木材商人，因随高祖李淵起兵太原，功拜工部尚書。
武則天通曉文史，姿色出衆，明敏果斷，14 歲被選人宮為太宗才人，賜号為“媚”，太宗死後，入長安感業寺為尼。高宗時複召入宮，不久被封為昭儀。永徽六年（655），高宗廢王皇後，立武則天為皇後。
此次廢立之事曾遭到顧命大臣長孫無忌、褚遂良二人的激烈反對，宰相韓瑗、來濟也表示反對。武則天既得勢，遂依靠許敬宗、李義府等人打擊政敵，長孫無忌被以謀反罪外貶并被逼令自殺，韓瑗、來濟、柳奭等也先後被貶到邊遠州。長期掌握實權的長孫無忌集團既被徹底摧毀，西魏、北周以來關隴貴族控制中央政權的局面也宣告結束。
顯慶四年（659），在武則天的主使下，高宗指令重修《氏族志》，更名為《姓氏錄》。此《姓氏錄》規定以現有官職為準，凡五品以上者，不論士庶一律收入；兵卒以軍功至五品者，亦得入書。凡未入品級的士族，一概被排斥在外。《姓氏錄》修成以後，後族武家被列為第一等，大批庶族官僚跻身士族。《姓氏錄》雖然受到士族和貴族的輕視，目之為"勳格"，但是它完全打破了門閥土族和庶族的界限。提高了庶族出身官員的地位，對武則天籠絡庶族地主官僚也起到了很大的作用。
顯慶五年（660），高宗風眩頭重，目不能視，百司奏事，或使武則天代為裁決，武則天開始直接參與政事的處理。武則天還征召文人入宮，因為這些文人常于宮廷北門候進止，時稱"北門學士"，名為撰修典籍，實際參與要政，以分宰相之權。
武則天又先後除掉了自己的長子李弘、次子李賢，實際上掌握了朝政天權，甚至在高宗上朝時"垂簾于禦座後，政事天小皆頂聞之"。當時高宗稱天皇，武則天稱天後，時人謂之“二聖”。
弘道元年（683），高宗病逝，太子李顯即位，是為中宗，武則天以皇太後的身份參決朝政。第二年，武則天廢黜李顯，另立高宗第四子李旦為皇帝，是為睿宗，自己臨朝稱制。此時武氏代唐的趨向日漸顯露。
大臣徐敬業以"匡複"李顯皇位相号召，首先在揚州起兵讨伐武則天。接着，宗室諸王于通州（今北京通縣）、豫州（今河南汝南）、博州（今山東聊城）相繼起兵響應。武則天平定了反叛以後，大批殺逐李姓宗室諸王和朝廷顯貴，先後誅殺宗室貴戚數百人，屠戮大臣數百家，刺史、郎将以下，死者不計其數。她還有意識地獎勵告密，任用酷吏，打擊政敵。索元禮、周興、來俊臣等酷吏應運而生，為其所用。在此過程中，關隴士族所受打擊尤為沉重，幾乎一蹶不振。
天授元年（690），武則天降睿宗李旦為皇嗣，親自登上皇位，自稱聖神皇帝，改唐為周，以洛陽為神都，成為中國帝制時代唯一的一位名實兼至的女皇帝。武則天得以稱帝，與當時庶族地主勢力上升，士族地主勢方逐漸沒落的時代潮流密切相關。
當時朝廷中，士庶沖突相當尖銳。武則天出身寒微，将立為皇後時，即招緻士族貴族大臣的堅決反對。但是，武則天得到了朝中庶族官僚的竭力支援，終于掌握了局面。當時社會風氣比較開放，對婦女的束縛較為薄弱，有利于婦女發揮才幹，而武則天本人的政治才幹，也在她的政治生涯中發揮了關鍵性的作用。
武則天在稱制期間，為了收攬人心，采取了一系列措施，鞏固自己的政治地位和武周政權。她把政治中心由長安移到洛陽，以擺脫舊勢力的幹擾，推行新的政令。她大力求訪人才，廣開人仕之門，“進用不疑，求訪不倦”，形成了為其所用的官僚隊伍。
武則天發展了科舉制度，實行“殿試”，親自考試取官，增加進士錄取名額。她創立"自薦"和"試官"制度，除了經常督令朝臣推薦才能之士外，還鼓勵官吏和在野人士自舉其才，以求進用。臣下舉薦的人才和自舉其才者，如能通過朝廷的考試，即可授官任用。她又特開武舉，招攬軍事人才。
另外，武則天在輔佐高宗時期，已下令兩廣等地選拔人才，時稱“南選”。武周代唐以後，“南選”更盛，并成為經常的制度，進而使嶺南等邊遠地區的人才得到入仕的機會。
在廣開入仕之門，常常破格用人的同時，武則天還關注對任用官吏的嚴格考核，發現不稱職的官員，立即罷免，有過惡者甚至誅殺，有才能的官員則迅速擢升。武則天能夠做到明察善斷，務取真才實學，故當時"英賢亦競為之用"，吸引了李昭德、狄仁傑、婁師德、李峤等傑出人才在其周圍。後來開元時期的重臣如姚崇、宋璟、張說、張九齡等人，都是在武則天時期選拔出來的。
武則天執政期間，重視農業生産，經常頒布诏令勸課農桑，并以農業生産好壞，作為衡量地方州縣官吏政績的标準。武則天還頒行了農書《兆人本業記》，指導農業生産。是以，貞觀以來社會經濟發展的趨勢在武則天在位時期仍舊繼續，糧食儲備豐富，人口也持續增長。
在處理邊疆問題時，武則天也表現出一定的才能。她出兵擊潰西突厥，控制了西北地區；擊敗吐蕃，收複了安西四鎮。
武則天是一個複雜的人物，她的統治對唐代社會的影響也相當複雜。武則天統治時期，社會政治、經濟秩序基本穩定。但她任用酷吏，濫殺無辜。選官雖能得人，而放手招官，造成官僚集團急劇膨脹。她又為了神化自己，為武周政權制造神權根據，大力崇佛。
天授元年（690），僧法明等人獻《大雲經》，聲稱武則天是彌勒佛下世，當代唐為天子。武則天大悅，令諸州建大雲寺，宣講《大雲經》。為修建寺院而大興土木，耗費資财，加重了人民負擔，消極影響也不可低估。
武則天晚年，企圖立武氏子孫為嗣，但自知時勢不可，終于複立中宗李顯為太子。神龍元年（705），武則天病重，宰相張柬之等聯合禁軍将領李多祚率兵入宮，殺掉武則天的内寵張易之、張昌宗兄弟，逼武則天退位，擁立中宗李顯複位，恢複唐朝國号。武則天被遷居上陽宮，武周政權結束。同年十一月，武則天病死，年82歲。