除了治理天下，继承人问题也使武则天绞尽脑汁。开始，武则天打算将皇位传给侄子武承嗣。风阁侍郎李昭德进言：“天皇大帝是陛下的丈夫，皇子是陛下的儿子。陛下的天下应该传给子孙，怎么能传给侄子呢？
陛下若立儿子，千秋万代后可以永享儿孙的祭祀；若立侄子，谁听说过侄子给姑母立庙奉祀的呢？”
一次，武则天做了一个奇怪的梦，梦见一只大鹦鹉，两个翅膀折断了。她要大臣们解梦，宰相狄仁杰回答说：“鹦鹉是指陛下，两翼是指陛下的两个儿子（暗指李显、李旦），他们都被囚禁，就是两翼折断的意思。没有翅膀的鹦鹉不能飞翔，陛下起用二子，鹦鹉就能飞翔了。”经过再三考虑，武则天于圣历元年（698）立李显为皇太子。
武则天有许多男宠，著名的如薛怀义以及张易之、张宗昌兄弟。他们在武则天的纵容下窃权祸国、胡作非为，武则天对这些都置若罔闻。长安四年（704）冬，武则天在洛阳长生殿养病，身边只有张氏兄弟和几个宫娥、内侍，政事全由张氏兄弟处理，形势非常危急。
神龙元年（705）正月，武则天病情加重，宰相张柬之等经过周密的部署，率领文武群臣入内宫杀死张易之、张昌宗兄弟，逼迫武则天退位，拥立中宗李显复位。唐中宗将这一年改为神龙元年，恢复李唐国号和唐朝制度，武则天迁居上阳宫。唐中宗尊称武则天为则天大圣皇帝。同年十一月，武则天病逝，与高宗合葬于乾陵。遵照她生前叮嘱，死后在她的墓碑上不写一字，所以乾陵有一块“无字碑”。碑身用一块完整的巨石雕成，高7.35米，宽2.1米，厚1.49米，重9.8吨。碑头刻着八条彼此缠绕、生动有力的螭首，碑身两侧各刻有升龙一条。武则天死后，人们对她有各种各样的评论，久而久之，无字碑也变成了有字碑。