永淳二年（683年），李轮又改名为李旦，再次封为豫王。
嗣圣元年（684年），武则天废皇帝李显为庐陵王，改立李旦为皇帝，并临朝称制，裁决一切政事。她以李旦的名义改年号为文明，册封正妃刘氏为皇后、长子李成器为皇太子。
垂拱二年（686年）正月，武则天下诏，表示要还政于皇帝。李旦知道这是母后在试探于他，便数次上表，极力推辞，请求母后继续临朝。武则天遂顺水推舟，"接受"了李旦的请求，依旧临朝称制，把持朝政。
垂拱四年（688年），武承嗣将一块刻有"圣母临人，永昌帝业"八字的白石献给武则天，声称是在洛水中发现的。武则天大喜，将白石命名为"宝图"（后改称"天授圣图"），又加尊号为圣母神皇。李旦作为皇帝，不但无法阻止，还要随武则天亲临洛水，参加"拜洛受图"大典。
