公元690年九月九日，武則天改唐為周，自稱「神聖皇帝」，改元天授，降唐睿宗李旦為皇嗣，賜姓武，年幼的李隆基亦改名武隆基，身份由大唐王子變為武周王孫。

在武周時期，皇嗣李旦的處境一直是很窘迫，地位不很穩固。皇嗣是一個含義微妙的名稱。它可以解釋為皇位的繼承人，可是又比「太子」作為皇位繼承人的傳統名分和地位降了一格。武則天給李旦以「皇嗣」名位，表明她還沒有下決心把他當成真正的皇位繼承人。而且，在相當長一段時間內，武則天是重武輕李的。因此，武承嗣、武三思等人都在謀「太子」之位，而大肆活動，他們把攻擊的矛頭指向皇嗣，欲取而代之。李旦既得不到武則天的充分信任和支持，只能處於被動挨整的地位。

長壽二年 (693年) 正月初二，皇嗣妃劉氏和德妃竇氏在嘉豫殿朝拜武則天以後，同時被殺，連屍骨埋於何處，都無人知曉。劉氏是李旦的元配夫人，出身於名門。祖父劉德威是唐朝開國功臣，貞觀時官至刑部尚書。光宅元年二月，李旦被立為帝，劉氏為皇后。睿宗降為皇嗣，劉氏為皇嗣妃。德妃竇氏是高祖李淵的皇后竇氏從兄竇抗的曾孫女。竇氏為著名士族，「姿容婉順，動循禮則」，是李隆基的生母。劉氏、竇氏突然被殺，李旦不敢有所表示。他的兒子們也因此受到株連，被軟禁宮中，並且都被降爵為郡王，隆基的大哥皇孫成器前已由皇太子降為皇孫，現更降為壽春郡王，二哥恒王成義為衡陽郡王，隆基則由楚王降為臨淄王，四弟衛王隆范為巴陵郡王，五弟趙王隆業為彭城郡王。這樣一來，隆基不僅失去了自由，而且失去了母親。

幼小的隆基為「竇姨鞠養」。竇姨是德妃竇氏的妹妹，後來是肅宗張皇后的祖母。李旦受到的一連串打擊，是武氏子弟營求繼承皇位活動的一部分。他們一再對武則天說：「自古天子未有以異姓為嗣者。」幸而以狄仁傑為首的朝臣們則再三勸武則天放棄以武氏代李氏的想法，他們的理由，就是「未聞侄為天子而樹姑廟者也。」狄仁傑等人建議復立廬陵王，由吉頊通過武則天的內寵張易之、張昌宗勸說武則天迎還廬陵王。在立侄還是立子之間，武則天最終下決心傳位給兒子，但不傳給皇嗣李旦，而是準備復立被廢為廬陵王唐中宗李哲。聖曆元年(698年)三月初九，廬陵王回到洛陽被立為太子，更名為顯，武承嗣看到繼承皇位已無希望，心情鬱悶，病死於八月。王嗣李旦降為相王。相王諸子再次被放出閣，「列第於東都積善坊，五人分院同居，號五王宅。」這年， 隆基14歲了，經過六年的幽禁生活，又重新獲得自由。

長安四年（704）冬，武則天病重，只有寵臣張易之、張昌宗在身邊伺候，宰相反而常常見不到她。武則天「政事多委張易之兄弟」，使二張得以弄權專政。隨著武則天健康狀況的惡化，二張和以張柬之為首的朝臣之間矛盾空前激化，終於導致張柬之、桓彥范，崔玄障、敬暉、袁恕己等人於神龍元年（705）正月二十二日發動軍事政變，誅殺二張及其黨羽，武則天被迫退位，中宗復辟。政變後不到一年，武則天病逝於洛陽上陽宮的仙居殿。

在武則天複立廬陵王后的七八年間，除了武則天病危時，宮廷中情勢一直比較平穩，雖然鬥爭錯綜複雜。李旦辭去了皇嗣的地位，離矛盾的中心稍微遠了一點，使隆基兄弟能夠生活得較為安定。在李隆基的青少年時代，這是難得的一段平靜的日子。然而，好景不長，中宗即位後， 新一輪的政治鬥爭又馬上湧現。