神龙三年（公元707年，此年后被改为景龙元年）七月六日，经过密谋，李重俊联络左羽林大将军李多祚、左羽林将军李思冲（高宗时宰相李敬玄之子）、右羽林将军李承况（李唐宗室、太宗弟弟楚王李智云之后）、独孤祎之、沙吒忠义（原右金吾卫将军，数月前因与东突厥作战战败而被免官）等人，矫诏调派三百余名“千骑”将士，冲入武三思、武崇训父子的家，将二人杀死，一起被杀的还有武三思的十余名亲信、同党，与此同时，李重俊还命令左金吾大将军、成王李千里及其儿子、天水王李禧率军分头把守住皇宫的各个宫门，李重俊和李多祚又率兵从肃章门冲入宫中，询问韦皇后、安乐公主的下落，士兵们敲打殿门，要求唐中宗交出上官婉儿。
上官婉儿高叫道：“他是想先抓我，然后还要抓皇后，最后就是皇上您了！”唐中宗带着韦皇后、安乐公主、上官婉儿等人逃到了玄武门的城楼上，命右羽林大将军刘景仁（《两唐书》均称右羽林将军刘仁景）率领一百余名“飞骑”将士守在楼下。
李多祚率军先赶到玄武门，想要强行冲上城楼，但却被护卫在门楼下的卫士们挡住，稍后，李重俊也赶到了。李重俊并没有做好预案，他原打算唐中宗会询问他杀死武三思父子的原因，他再做一陈述，揭露武三思父子与上官婉儿等人的阴谋，进而逼迫唐中宗把上官婉儿等人交出来，可是，当他来到玄武门下时，唐中宗却迟迟没有露头，这让他顿时没有了主意。狐疑之间，李重俊在城楼下按兵不动，这让惊慌失措的唐中宗等人慢慢恢复了平静。
宦官、宫闱令杨思勖，非常骁勇，他为人残暴，阴毒好杀。当时，杨思勖就守护在唐中宗身边，请求唐中宗答应让自己率军给予叛军以迎头痛击，唐中宗同意了。李多祚的女婿、羽林中郎将野呼利率领叛军先头部队，杨思勖持刀下楼，跨马直取野呼利，一刀将其斩于马下，叛军士气顿时瓦解。唐中宗见状，伏在栏杆上朝下对李多祚率领的千骑士兵们喊话：“你们都是朕的宿卫之兵，为什么要追随李多祚谋反呢？杀了李多祚等人，就不必担心不会富贵！”于是，千骑将士王欢喜等人首先倒戈，就在玄武门楼下将李多祚、李承况、独孤祎之、沙吒忠义等人杀死，余众一哄而散。
杨再思、苏瑰、李峤与兵部尚书宗楚客、左卫将军纪处讷率领两千余人驻扎在太极殿前，关闭殿门自守。成王李千里和李禧率军向右延明门发起进攻，试图攻入太极殿，杀死宗楚客等人，但也没有成功，反被守军杀死。太子李重俊率领一百余名亲信骑兵从肃章门逃出宫外，奔向终南山。唐中宗命令长上果毅赵思慎率轻骑追赶。李重俊行至雩县西十余里，一百余名骑兵也都各自逃命去了，只剩下几个奴仆跟在他的身边。天色已晚，他们在树林下歇息，李重俊被这几个奴仆杀掉请功。唐中宗下令将李重俊的人头公开予以斩杀，又献给太庙，而后在武三思、武崇训的灵柩前祭奠。将成王李千里父子改姓蝮，同党全部被杀。东宫下属无人敢去接近太子的尸体，只有永和县丞宁嘉勖解下自己的衣服，裹起太子的人头哭泣，唐中宗听说后，将其贬为兴平丞。《大唐新语》称，宗楚客听说后大怒，将宁嘉勖打入大牢，贬为兴平丞，并将其杀害了。
唐中宗还下令，凡是太子叛军所过宫门守卫全部予以流放；韦氏一党上奏要求将这些人全部斩杀，唐中宗又命有关部门详议。大理卿郑惟忠说：“大案刚刚作出定论，人心尚未安定，假如再行更改，恐怕会有更多的人产生忤逆之心。”唐中宗这才作罢。
唐中宗提拔杨思勖为银青光禄大夫，行内常侍；七月八日，宣布大赦天下。追赠武三思为太尉、梁宣王；武崇训为开府仪同三司、鲁忠王。安乐公主请求按照永泰公主（唐中宗复辟后，特意加恩将永泰公主的坟墓改称为陵）的旧例，以武崇训的坟墓为陵。给事中卢粲反驳道：“永泰公主之事是出于皇帝的特殊恩典，鲁王不过是公主的夫婿，不可同日而语。”唐中宗亲自写下手令，说：“安乐公主和永泰公主是一样的，夫妻又会安葬在一起，古今都是一样的。”卢粲又上奏认为：“陛下因宠爱女儿之故，推恩到其丈夫，岂能令上下不分、君臣一样呢？”唐中宗最终接受了他的意见。安乐公主大怒，将卢粲贬为陈州刺史。习艺馆内教苏安恒对人说李重俊谋反出于自己的主意，被人告发，苏安恒被杀。
太子李重俊被杀后，襄邑尉席豫听说安乐公主曾想让父皇把自己立为皇太女，他上书恳请唐中宗立太子，言辞非常切直。太平公主打算将其推荐为谏官，但席豫不愿侧身乱朝，就逃走了。
八月十三日，韦皇后率领群臣上表尊唐中宗为应天神龙皇帝，改玄武门为神武门，玄武门楼为制胜楼；接着，宗楚客又率领百官上表请加韦皇后尊号为顺天翊圣皇后。
李重俊谋反的背后是否有相王李旦、太平公主和元老重臣魏元忠的影子？回答是肯定的。如前所述，李显被流放了十五年之久，其间，弟弟李旦和妹妹太平公主一直在京师，他们深谙京师的政治气候和错综复杂的人际关系，也在小心翼翼地配置着各自的势力。神龙政变之前，各方反武势力以李显为号召暂时妥协，达成一致，推翻了武曌的统治，将李显推上了皇帝宝座，但是，等神龙政变之后，各方的矛盾就慢慢显现出来了。作为神龙政变功臣的五王原本是同僚，张柬之、桓彦范、袁恕己以及崔玄暐的弟弟崔昇四人都当过司刑少卿，也多多少少都有一些相王一党的影子。张柬之作为神龙政变的首谋，是经夏官尚书姚元之的举荐才被武曌提拔为宰相的，而姚元之则曾任相王府长史，同时，五王之一的袁恕己又是相王府的司马，因此，相王李旦和太平公主隐秘地参与甚至是主导了神龙政变。神龙政变后，有着相王色彩的五王试图逼迫唐中宗杀掉诸武，进一步独揽朝廷大权，而唐中宗则敏锐地察觉出这一动向，采取了联合诸武，平衡朝廷各方势力的策略，然而，以敬晖为代表的五王集团咄咄逼人，最终迫使唐中宗一边倒向诸武，将五人赶出了中枢，此后，相王和诸武各自退让，李旦和诸武都辞去了新任职务，暂时达成妥协，但诸武与五王之间的矛盾已水火不容，最终以唐中宗废杀五王而告终。五王的被杀削弱了相王的势力，此消彼长，以韦皇后、安乐公主为代表的后宫女眷势力和以武三思为代表的诸武势力逐渐增强，但在此前后，京师却不断传出不利于韦皇后和武三思的舆论，比如，一名叫韦月将的平民百姓就曾向唐中宗上书，控告武三思与韦皇后私通，一定要谋反，唐中宗见了奏疏，勃然大怒，命人将其斩首。黄门侍郎宋璟上奏请求有关部门进行审讯，这种丑事显然会越描越黑。听了宋璟的话，唐中宗更为恼怒，来不及整理头巾，提拉着拖鞋就从内室出来了，他站在便门旁，对宋璟吼道：“我已经下令斩杀了，你为何还说个不停！”喝令速速执行。宋璟却固执己见：“人们都说韦皇后与武三思有私情，陛下不经审讯就杀了此人，臣恐怕天下人会有看法。”坚决要求审讯，但唐中宗就是不同意。宋璟说：“一定要杀韦月将，就先杀了臣！”左御史大夫苏珦、给事中徐坚、大理卿尹思贞也都认为如今正是盛夏，杀人不合时宜，唐中宗最终退让，命人将韦月将杖打后流放到了岭南；秋分过一日后，就让广州都督周仁轨将其斩杀了。事后，唐中宗将宋璟贬出了京师。
不久之后，史书又称，是武三思暗中让人在天津桥上张贴大字报，将韦皇后的丑行公之于众，此事最终促使唐中宗下令杀了五王。这两件事起码有两点令人不解之处：一是作为平民百姓的韦月将怎么知道韦皇后与武三思私通？二是武三思岂能自己往自己头上扣屎盆子？实际上，传出韦皇后与武三思私通的丑事，受伤害的是韦皇后、武三思和唐中宗三人，可谓一石三鸟，而得利者只能是觊觎唐中宗皇位的相王李旦和太平公主集团，谁是幕后策划者也就一目了然了。