正在張柬之緊張籌劃復辟李唐大計的時候，武曌的病情加重了，甚至在晚上恍惚看到黑白無常前來勾魂攝魄，感到命不久矣。
知名大德法藏急忙趕到岐州法門寺，開啟舍利塔，捧出佛骨舍利，於神龍元年正月十一日，送到洛陽明堂，希望佛骨舍利能夠釋放大慈光，發出無邊法力，治好武曌的病，為她延年益壽！
佛骨舍利請來了，雲海石佛珠戴上了，大悲咒也念完了，然而武曌的病情還是沒有什麼好轉。武曌揮手讓大德們退下，自己乘輦回到迎仙宮集仙殿休息。
武曌的病情時好時壞，張柬之等不及了，決定按照計劃發動兵諫。
神龍元年正月二十二日，張柬之、崔玄暐、桓彥範和左威衛將軍薛思行等，率領左右羽林兵五百餘人到玄武門集合，派遣李多祚、右散騎常侍李湛和內直郎、駙馬都尉王同皎前往東宮迎接太子武顯。
武顯多疑，不肯出來。太子不出面行不行？
顯然不行，因為這次行動的旗號就是奉太子令誅二張，如果太子不出面，則師出無名。如果強行闖入玄武門，包圍迎仙宮，就會背上亂臣賊子、以下犯上、以臣弒君的罪名！這個黑鍋，任何飽讀詩書的人都不願意背，也不敢背。
李湛站在門外大聲說：“二張反道亂常，即將圖謀不軌，宗社危敗，只在須臾之間。諸將和南衙執事剋期誅翦，伏願殿下暫至玄武門以副眾望！”
武顯回答：“二張悖亂，確實應當誅滅，但是聖躬欠佳，寡人擔心驚動聖人，公等且止，以待後圖！”
女婿王同皎著急了，喊道：“先帝將神器交付殿下，卻橫遭幽廢，人神同憤，到現在已經二十二年了！今天我們已經聯絡好北門和南衙禁軍，同心協力一起誅殺二張，恢復李唐社稷，臣恭請殿下暫至玄武門，以副眾望！”
李湛又說：“諸將棄家族共宰相同心努力匡扶社稷，殿下怎麼忍心陷他們於鼎鑊？眾心不穩，請殿下速速出來親自遏止！”武顯只好出來了。
王同皎扶抱武顯上馬，在眾將士的簇擁下來到玄武門。眾將士齊呼殿下，鼓舞雀躍，砍斷玄武門門閂而入。
張柬之帶兵進入迎仙宮，逮捕張易之和張昌宗，拉到玄武門城郭下斬首，然後進入集仙殿，環繞侍衛。
聽到眾人的腳步聲和號令聲，武曌突然驚起，問：“是誰在作亂？”
張柬之早有準備，從容應對：“張易之、張昌宗謀反，臣等奉太子令誅殺他們，恐有漏洩，所以事前不敢報告陛下。稱兵宮禁，罪當萬死！”
武曌看見太子武顯，說：“原來是你？小子既已誅殺，可還東宮？”
武顯沉默不語，桓彥範急忙進言：“太子怎麼能夠再回東宮？過去天皇以愛子託付陛下，今日太子年已五十了，居東宮過久，天意人心都思念李氏。群臣不忘太宗、天皇之德，所以共奉太子誅殺賊臣。伏願陛下傳位太子，以順天人之望啊！”
這番話說得綿密連貫，武曌竟一時無言反駁。
李湛是李義府第四子，六歲時任職周王府文學，現任職右散騎常侍、左羽林將軍。武曌見李湛也在，說：“你也幫助誅殺易之嗎？我待你父子不薄，不想會有今日！”李湛俯首不能對。
武曌又對崔玄暐說：“其他人都是因為別人的引薦而得以進階，只有卿是朕親自擢升，怎麼也在這兒呢？”
崔玄暐對道：“臣在這裡就是為了報答陛下的大恩大德呀！”武曌這時疲勞已極，又倒下睡著了。
張柬之指揮羽林兵抓捕張昌期、張同休、張昌儀等人，抓到一個斬首一個，與張易之、張昌宗一起梟首於天津橋南。
這天，相王府司馬袁恕己跟從相王武旦率領南衙禁兵在神都戒嚴，逮捕鳳閣侍郎韋承慶、正諫大夫房融和司禮卿崔神慶等張氏黨羽下獄。
二十三日，武曌見張柬之、崔玄暐等人在集仙殿輪流值班守夜，不肯離去，無奈下制令太子武顯監國。
武顯任命袁恕己為鳳閣侍郎、同平章事，分遣十位使臣攜帶璽印和文書到各州宣示慰問，又命地官侍郎樊忱前往長安報告廟陵。
二十四日，武曌傳位於太子武顯。
二十五日，太子武顯恢復李姓，即皇帝位於通天宮，大赦天下，唯張易之黨羽不在赦免範圍，被周興、來俊臣陷害的人，全部昭雪。內外文武官加兩階，三品已上加爵二等，大酺五日。
相王李旦加號安國相王，進拜太尉，太平公主加號鎮國太平公主，仍賜實封，通前滿五千戶。李氏皇親原先被髮配籍沒的，子孫都令恢復屬籍，量敘官爵。又放出宮女三千人，除舊佈新。
二十六日，武曌徙居上陽宮，李湛留宿侍衛。