贞观二十三年（649），太宗病逝，其子李治继位，改元永徽，是为高宗。高宗即位之后，朝廷大权掌握在以长孙无忌为首的关陇贵族手中。永徽时期，文臣武将基本上都是贞观旧臣。高宗亦以继承父业为己任，登基之初，勤于政事，乐于纳谏，与民休息。史称：永徽之治，有贞观之遗风。高宗时期，全国人口在继续增加，经济在进一步发展。
武则天（624—705），山西文水人，名曌，因被尊为“则天大圣皇后”，史籍多称其为武则天。其父武士彟原是木材商人，因随高祖李渊起兵太原，功拜工部尚书。
武则天通晓文史，姿色出众，明敏果断，14岁被选人宫为太宗才人，赐号为“媚”，太宗死后，入长安感业寺为尼。高宗时复召入宫，不久被封为昭仪。永徽六年（655），高宗废王皇后，立武则天为皇后。
此次废立之事曾遭到顾命大臣长孙无忌、褚遂良二人的激烈反对，宰相韩瑗、来济也表示反对。武则天既得势，遂依靠许敬宗、李义府等人打击政敌，长孙无忌被以谋反罪外贬并被逼令自杀，韩瑗、来济、柳奭等也先后被贬到边远州。长期掌握实权的长孙无忌集团既被彻底摧毁，西魏、北周以来关陇贵族控制中央政权的局面也宣告结束。
显庆四年（659），在武则天的主使下，高宗命令重修《氏族志》，更名为《姓氏录》。此《姓氏录》规定以现有官职为准，凡五品以上者，不论士庶一律收入；兵卒以军功至五品者，亦得入书。凡未入品级的士族，一概被排斥在外。《姓氏录》修成以后，后族武家被列为第一等，大批庶族官僚跻身士族。《姓氏录》虽然受到士族和贵族的轻视，目之为"勋格"，但是它完全打破了门阀土族和庶族的界限。提高了庶族出身官员的地位，对武则天笼络庶族地主官僚也起到了很大的作用。
显庆五年（660），高宗风眩头重，目不能视，百司奏事，或使武则天代为裁决，武则天开始直接参与政事的处理。武则天还征召文人入宫，因为这些文人常于宫廷北门候进止，时称"北门学士"，名为撰修典籍，实际参与要政，以分宰相之权。
武则天又先后除掉了自己的长子李弘、次子李贤，实际上掌握了朝政天权，甚至在高宗上朝时"垂帘于御座后，政事天小皆顶闻之"。当时高宗称天皇，武则天称天后，时人谓之“二圣”。
弘道元年（683），高宗病逝，太子李显即位，是为中宗，武则天以皇太后的身份参决朝政。第二年，武则天废黜李显，另立高宗第四子李旦为皇帝，是为睿宗，自己临朝称制。此时武氏代唐的趋向日渐显露。
大臣徐敬业以"匡复"李显皇位相号召，首先在扬州起兵讨伐武则天。接着，宗室诸王于通州（今北京通县）、豫州（今河南汝南）、博州（今山东聊城）相继起兵响应。武则天平定了反叛以后，大批杀逐李姓宗室诸王和朝廷显贵，先后诛杀宗室贵戚数百人，屠戮大臣数百家，刺史、郎将以下，死者不计其数。她还有意识地奖励告密，任用酷吏，打击政敌。索元礼、周兴、来俊臣等酷吏应运而生，为其所用。在此过程中，关陇士族所受打击尤为沉重，几乎一蹶不振。
天授元年（690），武则天降睿宗李旦为皇嗣，亲自登上皇位，自称圣神皇帝，改唐为周，以洛阳为神都，成为中国帝制时代唯一的一位名实兼至的女皇帝。武则天得以称帝，与当时庶族地主势力上升，士族地主势方逐渐没落的时代潮流密切相关。
当时朝廷中，士庶矛盾相当尖锐。武则天出身寒微，将立为皇后时，即招致士族贵族大臣的坚决反对。但是，武则天得到了朝中庶族官僚的竭力支持，终于掌握了局面。当时社会风气比较开放，对妇女的束缚较为薄弱，有利于妇女发挥才干，而武则天本人的政治才干，也在她的政治生涯中发挥了关键性的作用。
武则天在称制期间，为了收揽人心，采取了一系列措施，巩固自己的政治地位和武周政权。她把政治中心由长安移到洛阳，以摆脱旧势力的干扰，推行新的政令。她大力求访人才，广开人仕之门，“进用不疑，求访不倦”，形成了为其所用的官僚队伍。
武则天发展了科举制度，实行“殿试”，亲自考试取官，增加进士录取名额。她创立"自荐"和"试官"制度，除了经常督令朝臣推荐才能之士外，还鼓励官吏和在野人士自举其才，以求进用。臣下举荐的人才和自举其才者，如能通过朝廷的考试，即可授官任用。她又特开武举，招揽军事人才。
另外，武则天在辅佐高宗时期，已下令两广等地选拔人才，时称“南选”。武周代唐以后，“南选”更盛，并成为经常的制度，从而使岭南等边远地区的人才得到入仕的机会。
在广开入仕之门，常常破格用人的同时，武则天还关注对任用官吏的严格考核，发现不称职的官员，立即罢免，有过恶者甚至诛杀，有才能的官员则迅速擢升。武则天能够做到明察善断，务取真才实学，故当时"英贤亦竞为之用"，吸引了李昭德、狄仁杰、娄师德、李峤等杰出人才在其周围。后来开元时期的重臣如姚崇、宋璟、张说、张九龄等人，都是在武则天时期选拔出来的。
武则天执政期间，重视农业生产，经常颁布诏令劝课农桑，并以农业生产好坏，作为衡量地方州县官吏政绩的标准。武则天还颁行了农书《兆人本业记》，指导农业生产。因此，贞观以来社会经济发展的趋势在武则天在位时期仍旧继续，粮食储备丰富，人口也持续增长。
在处理边疆问题时，武则天也表现出一定的才能。她出兵击溃西突厥，控制了西北地区；击败吐蕃，收复了安西四镇。
武则天是一个复杂的人物，她的统治对唐代社会的影响也相当复杂。武则天统治时期，社会政治、经济秩序基本稳定。但她任用酷吏，滥杀无辜。选官虽能得人，而放手招官，造成官僚集团急剧膨胀。她又为了神化自己，为武周政权制造神权根据，大力崇佛。
天授元年（690），僧法明等人献《大云经》，声称武则天是弥勒佛下世，当代唐为天子。武则天大悦，令诸州建大云寺，宣讲《大云经》。为修建寺院而大兴土木，耗费资财，加重了人民负担，消极影响也不可低估。
武则天晚年，企图立武氏子孙为嗣，但自知时势不可，终于复立中宗李显为太子。神龙元年（705），武则天病重，宰相张柬之等联合禁军将领李多祚率兵入宫，杀掉武则天的内宠张易之、张昌宗兄弟，逼武则天退位，拥立中宗李显复位，恢复唐朝国号。武则天被迁居上阳宫，武周政权结束。同年十一月，武则天病死，年82岁。
