长安四年（704）十二月，武则天患病，居于宫中长生院，宰相也不能轻易见到，只有张易之、张昌宗日夜陪伴身边。经崔玄奏请后，太子李显才得以进宫探视。由于皇帝患病，外臣轻易无法见君，于是洛阳城中人心惶惶，谣言四起，有人屡次飞书于通衢，云“易之兄弟谋反”，报知武则天后，她也不加追查。
神龙元年（705）正月，武则天病情加重，张柬之等5人认为时机成熟，加紧了政变准备工作，把杨元琰、桓彦范、敬晖、李湛等人都安置在左、右羽林将军职位上，委之以禁军兵权，并控制了南衙诸卫军队。姚崇从灵武返回后，政变集团的主要骨干分子已经齐集洛阳，作好了各种准备，洛阳城也在他们的严密控制之下。而武则天与二张由于居于深宫之中，事先竟毫无觉察，缺乏警惕与防范。
正月二十二日，寒风凛冽，洛阳城中兵马调动频繁，相王率袁恕己、薛季昶等统率诸卫及洛州吏卒占据了交通要道及重要的政府署衙，士卒们严阵以待，作好了随时应付突发事变的准备。张柬之与崔玄、敬晖、桓彦范、薛思行等率左右羽林军500人直趋玄武门，命李多祚、李湛、王同皎等急赴东宫，迎接太子。在这关键时刻，太子李显竟动摇不定，不敢出宫，李显的无能在这时暴露无遗。驸马都尉王同皎见箭已上弦，李显却想打退堂鼓，心中焦急，对李显说：“先帝把社稷交付殿下，殿下却横遭幽废，人神共愤，已23年了。而今南、北衙军同心协力，诛戮凶竖，匡复李氏，希望殿下急赴玄武门以孚众望。”李显却说：“凶竖固然应当诛灭，然皇帝身体不宁，纵兵入宫，难免要惊扰圣体，诸公暂回，以后再另作谋图。”李显怕惊扰武则天是假，胆怯动摇是真。他就没有想到事情已经到了这种程度，即使现在偃旗息鼓，事后难免不泄露，那时将有多少人头落地，他自己的地位也很难保全。关键时刻方显庸人本色。李湛见李显动摇，上前进言说：“凶竖将图不轨，宗社危败，就在须臾之间。诸将弃家族于不顾，与宰相同心戮力，匡复社稷，殿下为何不感其忠心与恳诚，而欲陷他们于死地？李湛等命不足惜，请殿下顾惜众人安危，速出宫去拦阻众人行动。”在这种情况下，李显只好出宫，被王同皎扶上马，直向玄武门驰去。
这时张柬之等正在玄武门外与宿卫在这里的千骑相持不下。殿中监田归道奉命率千骑守卫玄武门，他没有参与政变密谋，敬晖派人与他交涉，要他交出军队，遭到拒绝。正在这时太子李显赶到，田归道不敢阻拦，众人遂乘机夺门而入，闯入宫中。事后敬晖要斩田归道，田归道据理而陈，被免官罢归私第，中宗认为他能忠于职守，又召他入朝任以太仆少卿。
张柬之、李湛等拥太子入宫后，恰逢张易之、张昌宗，遂将他们斩之于廊庑之下。然后包围了武则天居住的迎仙宫长生院（殿），武则天闻变惊起，问道：“乱者为谁？”李湛入内进奏说：“臣等奉令诛杀逆贼张易之、张昌宗，恐有泄露，遂没有奏闻。陈兵禁中，是臣等死罪。”武则天看到太子入内，说：“此事原来是你干的。小子既然已诛，速回东宫。”桓彦范说：“太子今不可归，往昔大帝弃群臣而去，以爱子托于陛下，而今久居东宫，年纪已长。天意人心，久思李氏。群臣不忘太宗、大帝之德，故奉太子诛贼臣。愿陛下传位太子，以顺天意人心之望。”武则天一听此话，遂翻身而卧，不再说话。
众人退出后，留李湛率所部军队守卫迎仙宫，不许任何人出入。武则天对李湛说：“卿也是诛张易之的军将？我对你们父子恩惠不少，何至于此！”与此同时，张柬之等收捕了张昌期、张同休、张昌仪，斩杀后，把他们与张易之、张昌宗的首级一同悬于洛阳天津桥南。
二十三日，武则天被迫下诏让皇太子监国，颁布了《命皇太子监国制》，其中有“朕方资药饵，冀保痊和，机务既繁，有妨摄理，监临之寄，属在元良。宜令皇太子显监国，百官总己以听。朕当养闲高枕，庶获延龄”等句。意思是说她现在还依靠药物度日，而国事繁重，难以摄理，所以令皇太子监国，自己应当高枕无忧地怡养天年，也许还可以多活些时间。这道制书当然不是出自武则天之手，也不是出自她的本意，而是张柬之等朝臣以她的名义起草并颁发的。就这样，武则天交出了她执掌近22年的行政大权。
二十四日，武则天又下诏传位于皇太子。二十五日，中宗即位。大赦天下，惟张易之之党不赦，为酷吏所冤枉者予以清理昭雪，子女配没为奴者皆免；李唐皇族配没者皆恢复原来的皇族身份，并分别情况授以官爵。李显的这道赦书对被酷吏诬陷者来说意义不大，武则天晚年已陆续解决了这些问题，最大的受益者应是李唐皇族，因为武则天一直对皇族问题尤其是李贞、李冲为代表的宗室诸王始终不肯赦宥其罪。武则天所诛杀的唐宗室诸王、妃、公主、驸马等，没有人敢于埋葬，子孙有的流放岭南，有的拘禁多年，有的逃匿民间，“为人佣保”。至此，命州县搜访遗骨，以礼改葬，追复官爵，召其子孙承袭，无子孙者由朝廷选择堪为后嗣者承袭。不久，宗室子孙或被州县送入朝中，或闻听消息自行而来，都得到中宗的召见，涕泣拜舞，各以亲疏袭爵拜官。
二十六日，武则天被送到上阳宫居住，由李湛率领所部禁军环卫看管。二十七日，中宗率文武百官到上阳宫看望武则天，并尊她为“则天大圣皇帝”。以后每10日中宗看望一次他的母亲，极尽为子之道。但是对于武则天这样权力欲极强的人来说，失去权力的打击要远胜于子孙孝顺对她的抚慰。她的精神状态坏极了，据载，武则天晚年虽然年事已高，由于善于涂饰，虽子孙在侧，也不觉得衰老。搬到上阳宫后，不再梳洗修饰，“形容羸悴”，中宗看到以后，大吃一惊。武则天在上阳宫郁郁寡欢地生活了300天，于神龙元年十一月二十六日终于走完了她82年的人生历程。临终前，遗制去帝号，称则天大圣皇后。她在生命的最后一刻，终于自愿地回到李氏家族媳妇的位置上来，这是一个明智的选择，只有这样她才能够与唐高宗合葬于乾陵，也才能在她死后保留一个合法的地位。与此同时，她还遗命赦王皇后、萧淑妃二族及褚遂良、韩瑗、柳等人亲属。宽恕政敌，大概是人之将亡其心亦善的表现吧。
神龙元年二月五日，中宗恢复了唐的国号，并规定“郊庙、社稷、陵寝、百官、旗帜、服色、文字皆如永淳以前故事。”永淳是唐高宗的最后一个年号。就是将武则天所改变的一切又都重新改变回来。将神都改为东都，重新成为唐朝的陪都。北都改为并州（治今山西太原西南）。这是武则天在天授元年（690）改变的，自然也要重新改变回来。唐高宗曾于乾封元年（666）尊老子为玄元皇帝。唐高祖为了提高本家族的门第，自认老子李耳为始祖，因此高宗将其尊奉为皇帝，武则天“革命”时便改称玄元皇帝为老君，不承认他的皇帝地位，此时中宗又一次恢复了老子的玄元皇帝尊号。虽然中宗改变了武周政权的一切制度，但是并没有像武则天疯狂迫害李氏子孙那样去对待武氏家族，只是在群臣的再三要求下将武氏诸王降为郡王。武周七庙之主仍然予以保留，只不过迁到长安的崇尊庙中。并规定“武氏三代讳，奏事者皆不得犯。”由于唐中宗的这种温和政策，加之武氏子弟在政权中的确仍然在发挥作用，所以中宗朝以及以后一个相当长阶段的统治都被人视为李武联合政权。尽管如此，由于皇帝毕竟由武氏改为李氏，国号也由大周一变为大唐，所以神龙元年的这次政变被后来的唐代士大夫视之为中兴之举，给予了高度的评价。
