通过酷吏政治，武则天巩固了自己的权势和皇位，但在皇位继承问题上，她又左右为难。
建立周王朝之后，他让侄子们做了宰相和将军，掌握朝政大权，大臣有了功劳也赐给武姓，而不是李姓。她还免掉了武姓的田赋，把自己的故乡文水县改为武兴县，从这些来看，武则天想把皇位传给武姓的侄子，这也促使他的侄子武承嗣等人公开对李旦的皇储地位提出挑战。公元693年，武则天在万象神宫即明堂里举行了祭典大礼，这次武则天出乎意料地让侄子武承嗣为亚献，武三思为终献，而正式的皇储李旦却被冷落到了一边，非常尴尬。武则天的行动无疑是对侄子们的公开鼓励。
但是，武则天的意愿遭到了宰相狄仁杰等人的激烈反对，这让武则天矛盾至极。如果把侄子立为皇储，虽然可以保住大周政权，但以后的即位人绝对不会把她供奉到祖庙里去的，因为她是武氏家族出嫁的女人，这在封建社会等于是外人了。如果立自己的儿子做皇储，将来继承皇位，他可以顺利成章地包住皇后的正统地位，和丈夫高宗一起享受儿孙们时代的供奉。但是，这样又要回到他已经打破的旧传统中去。
同时，宰相吉顼也在努力。他对武则天当时的男宠张易之和张昌宗兄弟俩说，你们俩因为受武则天的宠爱，蔑视群臣，被众大臣们嫉恨，如果要保住性命，现在只有为立储君出力，日后还能够将功赎罪。你们要利用自己接近武则天的有利条件，劝说她立庐陵王李显为太子。张氏兄弟听了吉顼的话，对武则天立李显为太子起了关键作用。
到公元698年，武则天将李显秘密接回了京城洛阳，当时的太子李旦聪明地请求退出，让母亲立哥哥为太子。这让武承嗣极为气恼，因为他的继承权完全被剥夺了，不久武承嗣便气闷而死。
为了避免在自己死后侄子和儿子们相互残杀，武则天还处心积虑地把太子李显、相王李旦、太平公主、武姓的侄子们召集到了明堂，然后祭告天地，立下了铁券，把铁券收藏在史馆，以为佐证。从此以后，到武则天去世，终于有了较长的一段安定的日子。
公元704年年末，武则天病倒在床上，几个月也不召见宰相，只有张氏兄弟俩侍奉左右，左右朝政大事，这使大臣们六神无主。宰相张柬之经过周密部署，在705年的正月里发动了兵变，把张氏兄弟杀死，迫使病中的武则天让位，由中宗复位，重建唐朝。
正月二十五这天，武则天不情愿地离开了他做了十五年女皇的宫殿，搬到了洛阳宫城西南的上阳宫。中宗给她上了尊号“则天大圣皇帝”。但没有了帝位的武则天心情很坏，精神的支柱没有了，本来就年老的身体很快垮了下来，在705年的十一月初二，八十二虚岁的武则天死于上阳宫的仙居殿。临终时她异常清醒，立下了遗嘱，包括去掉帝号，称则天大圣皇后，葬在干陵，和高宗合葬。只许为她立碑，不许立传，这就上武则天无字碑的来历。还有赦免王皇后、萧淑妃以及褚遂良等人的家属。其他被酷吏迫害的人早在他被迫下台前已经赦免。706年的正月，武则天的灵柩运回了长安，和高宗合葬在干陵。
武则天死后，她的谥号变过几次，但儿孙们的尊敬态度没有变。睿宗第二次即位后，改称为“天后”，后来又先后改为“大圣天后”，尊为“天后皇帝”，改为“圣后”。唐玄宗即位后，改为“则天皇后”，比较客观。到了749年，最后把武则天的谥号定为“则天顺圣皇后”。
武则天一生功过参差，复杂微妙。除任用酷吏，嗜好男宠外，她崇尚佛教，修建了大量的寺院、明堂，造天枢、铸九鼎，仅用钢铁就达二百余万斤。她还耗费大量的人力物力开凿石窟（著名的龙门石窟在那时候开凿）。晚年的时候她好大喜功，生活奢靡，也耗费了大量的财资和劳力，这些都为后世所诟病。不过，这些错误和过失，毕竟是武则天政治生涯中的支流。作为中国历史上惟一的女皇帝，她能够排除万难，在统治长达半个世纪的年代，形成强有力的中央集权，社会安定，经济发展，上承“贞观之治”，下启“开元盛世”，革除时弊，发展生产，完善科举，破除门阀观念，不拘一格任用贤才，顺应历史发展潮流，其历史功绩，昭昭于世。诚如宋庆龄对她的诚恳评价：武则天是“封建时代杰出的女政治家”。