除了治理天下，繼承人問題也使武則天絞盡腦汁。開始，武則天打算將皇位傳給侄子武承嗣。風閣侍郎李昭德進言：“天皇大帝是陛下的丈夫，皇子是陛下的兒子。陛下的天下應該傳給子孫，怎麽能傳給侄子呢？
陛下若立兒子，千秋萬代後可以永享兒孫的祭祀；若立侄子，誰聽說過侄子給姑母立廟奉祀的呢？”
一次，武則天做了一個奇怪的夢，夢見一隻大鸚鵡，兩個翅膀折斷了。她要大臣們解夢，宰相狄仁傑回答說：“鸚鵡是指陛下，兩翼是指陛下的兩個兒子（暗指李顯、李旦），他們都被囚禁，就是兩翼折斷的意思。沒有翅膀的鸚鵡不能飛翔，陛下起用二子，鸚鵡就能飛翔了。”經過再三考慮，武則天於聖曆元年（698）立李顯為皇太子。
武則天有許多男寵，著名的如薛懷義以及張易之、張宗昌兄弟。他們在武則天的縱容下竊權禍國、胡作非為，武則天對這些都置若罔聞。長安四年（704）冬，武則天在洛陽長生殿養病，身邊隻有張氏兄弟和幾個宮娥、內侍，政事全由張氏兄弟處理，形勢非常危急。
神龍元年（705）正月，武則天病情加重，宰相張柬之等經過周密的部署，率領文武群臣入內宮殺死張易之、張昌宗兄弟，逼迫武則天退位，擁立中宗李顯複位。唐中宗將這一年改為神龍元年，恢複李唐國號和唐朝製度，武則天遷居上陽宮。唐中宗尊稱武則天為則天大聖皇帝。同年十一月，武則天病逝，與高宗合葬於乾陵。遵照她生前叮囑，死後在她的墓碑上不寫一字，所以乾陵有一塊“無字碑”。碑身用一塊完整的巨石雕成，高7.35米，寬2.1米，厚1.49米，重9.8噸。碑頭刻著八條彼此纏繞、生動有力的螭首，碑身兩側各刻有升龍一條。武則天死後，人們對她有各種各樣的評論，久而久之，無字碑也變成了有字碑。