长安四年(704年)十二月，80岁的武则天因病避居迎仙宫。武则天的病情很严重。朝堂无主，宰相也难见女皇。迎仙宫中只有张易之、张宗昌侍奉武则天左右，外人不得入内。史载：“则天不豫。张易之与弟昌宗入阁侍疾，潜图逆乱。”张易之兄弟有没有造反谋逆的计划呢？我们找不出确切的证据来。但张易之两人极有可能怕武则天去世后不仅权势不在，还可能大祸临头，所以结纳羽林军将帅和部分大臣以防不测也是可能的事情。反正当时长安城中出现了“易之兄弟谋反”的传闻和帖子。
张柬之和桓彦范、敬晖等大臣决定乘机诛杀张易之，逼病重的武则天让位，复辟唐朝。张柬之利用职权迅速安排桓彦范、敬晖两人担任羽林将军，掌握禁兵，为政变提供保障。当时皇太子李显在北门起居。桓彦范、敬晖利用禁军将军身份拜谒李显，密陈政变计划，得到太子的赞同。张柬之早年在外地担任刺史时，曾与荆州长史杨元琰一同泛舟。谈起武周的乱象，两人相互约定：“他日你我得志，当彼此相助，同图匡复。”张柬之此时也推荐杨元琰担任羽林将军，共同筹划政变。
神龙元年(705年)正月，武则天在迎仙宫的消息越来越少。政变集团决定就此发难。张柬之、桓彦范、敬晖联合左羽林将军李湛、李多祚、右羽林将军杨元琰、左威卫将军薛思行等率左右羽林官兵五百余人向宫中进发。其中李湛、李多祚前往东宫迎接皇太子李显。李显毅然出宫，走到了羽林军的前头。一行人走到玄武门时，官兵们看到太子出面，山呼万岁。张柬之、桓彦范等人就簇拥着李显冲向迎仙宫。在宫门口，守卫与叛乱者发生了小规模冲突。张柬之簇拥着李显轻易就斩关而入。当时武则天在迎仙宫的集仙殿养病。张易之、张昌宗两人就在集仙殿内，听到外面喧嚣，拿着兵器出来观看。在廊下，汹涌而来的羽林军将张易之兄弟当场杀死。张柬之等人事先还分派羽林军去各自的家中斩杀张易之的哥哥、汴州刺史张昌期，司礼少卿张同休。张家兄弟的脑袋很快就出现在天津桥南。长安的士庶百姓见了，没有不欢叫相贺的。有的人还脔割张家兄弟的肉，在一夕之间就只剩下骷髅架子了。
却说殿内的武则天听到外面人声杂沓，心知有变，撑起病体出来察看。她看到了张易之兄弟的尸体，看到张柬之等人持剑而来，大致知道了什么情况。武则天毕竟是政治老手。只见她缓缓地回到病床，聚敛精力厉声问道：“何人作乱啊？”张柬之推拥着李显，并示意武士们涌到武则天病床前，说道：“张易之、张昌宗谋反，臣等奉太子令入诛二逆，怕计划漏泄，所以事先没有禀报皇上……”武则天强硬地打断张柬之的话，怒目瞪着李显，喝问：“这是你的主意？你怎么敢这么做？现在张家两兄弟已经伏诛了，你还不快回到东宫去！”
张柬之同样强硬地回答：“太子不能再返东宫了。以前高宗皇帝将太子殿下托付给陛下。现在太子年纪已长，天意人心都归顺太子。臣等不忘太宗、高宗皇帝的厚恩，所以奉太子诛贼，请陛下立即传位太子，上顺天心，下孚民望。”
武则天这才明白张柬之此行不单是为了诛杀张易之兄弟这么简单，而是冲着自己的皇位来着。这是逼宫。突然间，武则天感觉到一阵晕眩。她没有精力再跟儿子和大臣们理论了，只能默默地低下头。“谢皇上恩准！”张柬之朗声谢恩。
当时，相王李旦也率领南衙禁兵在宫外加强警备，配合宫内的政变行动。李旦和李显一样是个懦弱的皇子，他为自己今天的行动吓了一跳。一旁参与行动的儿子李隆基惊讶地看着父亲。李旦意识到在儿子面前要维持一个果敢、英武的父亲形象，忙挺直了腰板。就在他胆战心惊的时候，宫外传来了阵阵欢呼声。李旦的一颗心落了下来。政变成功了！神龙政变的血腥气只停留在当天的张氏兄弟之死上。张柬之和李显并没有大开杀戒。
病中的武则天得到了妥善安置。她虽然被迫将国政交给李显监国，并在不久之后禅位给了李显，成了“大圣皇帝”。1年后，武则天即将逝世。朝廷适时公布了武则天的“遗制”。武则天在遗制中说要“祔庙”、“归陵”，也就是主动要求归附到李唐的宗庙，去丈夫高宗的陵墓合葬。武则天还主动要求去掉帝号，自己不愿意做皇帝了，改称“则天大圣皇后”。武则天最终还是作为唐朝的皇后进入了乾陵。人之将死，其言也善。之前朝廷公布的所谓武则天“遗制”极可能不是武则天的意愿，但之后公布的赦免武则天情敌王、萧二家及政敌褚遂良、韩瑗等人子孙亲属的罪行，令他们复业的内容极可能是她真实的意思。
没几天，武则天在上阳宫仙居殿去世，享年83岁。唐朝上谥号为“则天大圣皇后”，祔葬于唐高祖乾陵。唐睿宗李旦在李显之后即位，给“则天大圣皇后”改了一个字，叫“天后”，不久又追尊为“大圣天后”，改号为“则天皇太后”。武则天最终还是失败了。
神龙政变又被称为“五王政变”。因为政变后，张柬之被封为汉阳王、敬晖被封为平阳王、桓彦范被封为扶阳王、袁恕己被封为南阳王、崔玄暐被封为博陵王，时称“五王”。对于张柬之等人的政变行动，当时和后来的人都持支持肯定态度。唐人皇甫澈就在《赋四相诗·中书令汉阳王张柬之》一诗中写道：
周历革元命，天步值艰阻。烈烈张汉阳，左袒清诸武。
休明神器正，文物旧仪睹。南向翊大君，西宫朝圣母。
茂勋镂钟鼎，鸿劳食茅土。至今称五王，卓立迈万古。
但是张柬之五人的下场并不好，这和他们的政治幼稚病有关。当初，敬晖和桓彦范等人诛杀张易之兄弟后，洛州长史薛季昶曾经对敬晖说：“二凶虽除，吕产、吕禄那样的人物依然存在。大人们应该借着兵势诛杀武三思等人，匡正王室，以安天下。”敬晖多次向张柬之提起，张柬之都不同意，敬晖也没坚持。薛季昶感叹道：“我不知道日后会死在什么地方了。”之后，武三思勾结李显的韦皇后，“内行相事，反易国政”，武氏家庭武三思等及其羽党仍当权用事，“为天下所患”。一些议论就将责任推卸给敬晖。
武三思勾结韦皇后，谮毁张柬之等，最后抓住敬晖的一个把柄告发了张柬之等五人。唐中宗李显下诏说：“则天大圣皇后，往以忧劳不豫，凶竖弄权。晖等因兴甲兵，铲除妖孽，朕录其劳效，备极宠劳。自谓勋高一时，遂欲权倾四海，擅作威福，轻侮国章，悖道弃义，莫斯之甚。晖可崖州司马，柬之可新州司马，恕己可窦州司马，玄暐可白州司马，并员外置。”张柬之五人都被贬官。敬晖在失掉权柄，受制于武三思后，每每推床嗟叹惋惜，直至弹指出血。政治斗争往往是残酷的，没有后悔药可吃。张柬之这时才说出当初不乘胜追击，顺便将以武三思为代表的武家势力铲除干净的原因：“这应该是皇上的事情。皇上还是英王的时候，以勇烈闻名。我留下武家子弟，是希望皇上能够亲自锄奸立威。现在大势已去，再来说这些都没有意义了。”敬晖赴任崖州不久就被杀。张柬之在新州忧愤病死。崔玄暐在岭南病死，桓、袁二人则被李显派遣的使者杀害。
杀害张柬之五人的唐中宗李显实在是一个昏庸的君主。他确实控制不了处于转折关头的唐朝天下。新的政变已经在长安城里酝酿了