長安四年(704年)十二月，80歲的武則天因病避居迎仙宮。武則天的病情很嚴重。朝堂無主，宰相也難見女皇。迎仙宮中只有張易之、張宗昌侍奉武則天左右，外人不得入內。史載：「則天不豫。張易之與弟昌宗入閣侍疾，潛圖逆亂。」張易之兄弟有沒有造反謀逆的計劃呢？我們找不出確切的證據來。但張易之兩人極有可能怕武則天去世後不僅權勢不在，還可能大禍臨頭，所以結納羽林軍將帥和部分大臣以防不測也是可能的事情。反正當時長安城中出現了「易之兄弟謀反」的傳聞和帖子。
張柬之和桓彥范、敬暉等大臣決定乘機誅殺張易之，逼病重的武則天讓位，復辟唐朝。張柬之利用職權迅速安排桓彥范、敬暉兩人擔任羽林將軍，掌握禁兵，為政變提供保障。當時皇太子李顯在北門起居。桓彥范、敬暉利用禁軍將軍身份拜謁李顯，密陳政變計劃，得到太子的贊同。張柬之早年在外地擔任刺史時，曾與荊州長史楊元琰一同泛舟。談起武周的亂象，兩人相互約定：「他日你我得志，當彼此相助，同圖匡復。」張柬之此時也推薦楊元琰擔任羽林將軍，共同籌劃政變。
神龍元年(705年)正月，武則天在迎仙宮的消息越來越少。政變集團決定就此發難。張柬之、桓彥范、敬暉聯合左羽林將軍李湛、李多祚、右羽林將軍楊元琰、左威衛將軍薛思行等率左右羽林官兵五百餘人向宮中進發。其中李湛、李多祚前往東宮迎接皇太子李顯。李顯毅然出宮，走到了羽林軍的前頭。一行人走到玄武門時，官兵們看到太子出面，山呼萬歲。張柬之、桓彥范等人就簇擁著李顯衝向迎仙宮。在宮門口，守衛與叛亂者發生了小規模衝突。張柬之簇擁著李顯輕易就斬關而入。當時武則天在迎仙宮的集仙殿養病。張易之、張昌宗兩人就在集仙殿內，聽到外面喧囂，拿著兵器出來觀看。在廊下，洶湧而來的羽林軍將張易之兄弟當場殺死。張柬之等人事先還分派羽林軍去各自的家中斬殺張易之的哥哥、汴州刺史張昌期，司禮少卿張同休。張家兄弟的腦袋很快就出現在天津橋南。長安的士庶百姓見了，沒有不歡叫相賀的。有的人還臠割張家兄弟的肉，在一夕之間就只剩下骷髏架子了。
卻說殿內的武則天聽到外面人聲雜沓，心知有變，撐起病體出來察看。她看到了張易之兄弟的屍體，看到張柬之等人持劍而來，大致知道了什麼情況。武則天畢竟是政治老手。只見她緩緩地回到病床，聚斂精力厲聲問道：「何人作亂啊？」張柬之推擁著李顯，並示意武士們湧到武則天病床前，說道：「張易之、張昌宗謀反，臣等奉太子令入誅二逆，怕計劃漏洩，所以事先沒有稟報皇上……」武則天強硬地打斷張柬之的話，怒目瞪著李顯，喝問：「這是你的主意？你怎麼敢這麼做？現在張家兩兄弟已經伏誅了，你還不快回到東宮去！」
張柬之同樣強硬地回答：「太子不能再返東宮了。以前高宗皇帝將太子殿下托付給陛下。現在太子年紀已長，天意人心都歸順太子。臣等不忘太宗、高宗皇帝的厚恩，所以奉太子誅賊，請陛下立即傳位太子，上順天心，下孚民望。」
武則天這才明白張柬之此行不單是為了誅殺張易之兄弟這麼簡單，而是衝著自己的皇位來著。這是逼宮。突然間，武則天感覺到一陣暈眩。她沒有精力再跟兒子和大臣們理論了，只能默默地低下頭。「謝皇上恩准！」張柬之朗聲謝恩。
當時，相王李旦也率領南衙禁兵在宮外加強警備，配合宮內的政變行動。李旦和李顯一樣是個懦弱的皇子，他為自己今天的行動嚇了一跳。一旁參與行動的兒子李隆基驚訝地看著父親。李旦意識到在兒子面前要維持一個果敢、英武的父親形象，忙挺直了腰板。就在他膽戰心驚的時候，宮外傳來了陣陣歡呼聲。李旦的一顆心落了下來。政變成功了！神龍政變的血腥氣只停留在當天的張氏兄弟之死上。張柬之和李顯並沒有大開殺戒。
病中的武則天得到了妥善安置。她雖然被迫將國政交給李顯監國，並在不久之後禪位給了李顯，成了「大聖皇帝」。1年後，武則天即將逝世。朝廷適時公佈了武則天的「遺制」。武則天在遺制中說要「祔廟」、「歸陵」，也就是主動要求歸附到李唐的宗廟，去丈夫高宗的陵墓合葬。武則天還主動要求去掉帝號，自己不願意做皇帝了，改稱「則天大聖皇后」。武則天最終還是作為唐朝的皇后進入了乾陵。人之將死，其言也善。之前朝廷公佈的所謂武則天「遺制」極可能不是武則天的意願，但之後公佈的赦免武則天情敵王、蕭二家及政敵褚遂良、韓瑗等人子孫親屬的罪行，令他們復業的內容極可能是她真實的意思。
沒幾天，武則天在上陽宮仙居殿去世，享年83歲。唐朝上謚號為「則天大聖皇后」，祔葬於唐高祖乾陵。唐睿宗李旦在李顯之後即位，給「則天大聖皇后」改了一個字，叫「天後」，不久又追尊為「大聖天後」，改號為「則天皇太后」。武則天最終還是失敗了。
神龍政變又被稱為「五王政變」。因為政變後，張柬之被封為漢陽王、敬暉被封為平陽王、桓彥范被封為扶陽王、袁恕己被封為南陽王、崔玄暐被封為博陵王，時稱「五王」。對於張柬之等人的政變行動，當時和後來的人都持支持肯定態度。唐人皇甫澈就在《賦四相詩·中書令漢陽王張柬之》一詩中寫道：
周歷革元命，天步值艱阻。烈烈張漢陽，左袒清諸武。
休明神器正，文物舊儀睹。南向翊大君，西宮朝聖母。
茂勳鏤鐘鼎，鴻勞食茅土。至今稱五王，卓立邁萬古。
但是張柬之五人的下場並不好，這和他們的政治幼稚病有關。當初，敬暉和桓彥范等人誅殺張易之兄弟後，洛州長史薛季昶曾經對敬暉說：「二凶雖除，呂產、呂祿那樣的人物依然存在。大人們應該藉著兵勢誅殺武三思等人，匡正王室，以安天下。」敬暉多次向張柬之提起，張柬之都不同意，敬暉也沒堅持。薛季昶感歎道：「我不知道日後會死在什麼地方了。」之後，武三思勾結李顯的韋皇后，「內行相事，反易國政」，武氏家庭武三思等及其羽黨仍當權用事，「為天下所患」。一些議論就將責任推卸給敬暉。
武三思勾結韋皇后，譖毀張柬之等，最後抓住敬暉的一個把柄告發了張柬之等五人。唐中宗李顯下詔說：「則天大聖皇后，往以憂勞不豫，凶豎弄權。暉等因興甲兵，剷除妖孽，朕錄其勞效，備極寵勞。自謂勳高一時，遂欲權傾四海，擅作威福，輕侮國章，悖道棄義，莫斯之甚。暉可崖州司馬，柬之可新州司馬，恕己可竇州司馬，玄暐可白州司馬，並員外置。」張柬之五人都被貶官。敬暉在失掉權柄，受制於武三思後，每每推床嗟歎惋惜，直至彈指出血。政治鬥爭往往是殘酷的，沒有後悔藥可吃。張柬之這時才說出當初不乘勝追擊，順便將以武三思為代表的武家勢力剷除乾淨的原因：「這應該是皇上的事情。皇上還是英王的時候，以勇烈聞名。我留下武家子弟，是希望皇上能夠親自鋤奸立威。現在大勢已去，再來說這些都沒有意義了。」敬暉赴任崖州不久就被殺。張柬之在新州憂憤病死。崔玄暐在嶺南病死，桓、袁二人則被李顯派遣的使者殺害。
殺害張柬之五人的唐中宗李顯實在是一個昏庸的君主。他確實控制不了處於轉折關頭的唐朝天下。新的政變已經在長安城裡醞釀了