武则天认为王皇后的举动明显是冲着自己来的，因此迅速展开了反击行动，第一步就是将王皇后从皇后之位上拉下来。然而，李治虽然并不宠幸王皇后，但是因为皇后是太宗所定，而且无失德行为，所以没有废后的意思。
为了离间李治和王皇后之间的关系，武则天想方设法，甚至不惜牺牲自己女儿的生命。生下长子李弘不久，她又生下了一个活泼可爱的小女儿。一日，王皇后前去看望小公主。在王皇后离去后，武则天便悄悄将襁褓中的女儿掐死，然后诬陷是王皇后所为。王皇后百口难辩。李治极为恼火，从此有了废后的念头。
焦虑的王皇后让母亲柳氏请来巫师，企图做法诅咒武则天，挽回李治的宠爱。但王皇后还没有行动，武则天就从安插在王皇后身边的耳目得知了此事，于是向李治诬告王皇后诅咒他。李治大怒，下令禁止柳氏入宫。王皇后的处境愈发孤立无援。
此时，废后只是时间问题了。为了取得朝廷重臣的支持，李治和武则天带着重礼来到长孙无忌的府第，几次提及王皇后无子，暗示要废后，长孙无忌却顾左右而言他。后来，武则天还让母亲杨氏去找长孙无忌，但仍没有得到正面答复。关于改立武则天为皇后一事，朝中大臣分成了两派：长孙无忌、褚遂良等人坚决反对；而一向被权臣们打压的李义府、许敬宗等人则站到了长孙无忌的对立面，支持武则天做皇后。
永徽六年（655）九月，李治决定要和群臣们摊牌了。一日退朝后，他召集了长孙无忌、褚遂良等重臣到内殿议事，直接提出了要立武则天为后的想法。褚遂良极力反对，说王皇后出身高贵，又是太宗亲自择定，而武则天曾侍奉过先帝，如果立她为后，陛下必然会受到天下的非议。褚遂良一边磕头叩请皇帝三思，一边提出辞官，以此相要挟。坐在帘子后的武则天闻言大怒，不禁喝道：“何不扑杀此獠！”幸而长孙无忌求情，褚遂良才保住性命，但被贬到了潭州（治所在今湖南长沙）任都督。
长孙无忌等人反对废立皇后，李治为此犹豫不决，十分苦恼，后来还是从开国功臣李那里得到了启发。有一次，他向李咨询此事是否可行，李轻描淡写地说道：“这不过是陛下的私事，何必问外人？”许敬宗也大造舆论，说“多收了几斛麦子的庄稼汉还想换个新婆娘呢，堂堂天子另立皇后又与他人有何相干？何必妄加评论。”
于是，李治下定决心改立武则天为皇后。永徽六年（655）十月，李治下诏废王皇后，将萧淑妃贬为庶人。几日后，他正式宣布立武则天为皇后。同年十一月初一，李治在朝堂之上接见了朝臣以及少数民族首领，随即命令司空李、左仆射于志宁主持皇后册封大典。仪礼结束后，文武百官和少数民族首领还破天荒地朝拜了刚刚册立的皇后武则天。身着皇后礼服的武则天，仪态大方，雍容高贵，几乎征服了所有人。
