唐太宗晚年，太子李承乾与魏王李泰内斗，结果都被废掉，立第九子晋王李治为太子。贞观二十三年（649年），唐高宗李治即位，唐朝都城迁至洛阳。即位之初，他继续执行唐太宗制订的各项政治经济制度，与长孙无忌、褚遂良等共同辅政。君臣纷纷牢记太宗的遗训遗嘱，奉行不渝太宗训令纳谏、爱民。[54][47]
李治即位后对群臣宣布：“事有不便於百姓者，悉宜陈，不尽者更封奏。[55]”并日引刺史入阁，问以百姓疾苦；太宗训令崇俭，唐高宗即召令：“自京官及外州有献鹰隼及犬马者罪之。”[55][56]唐高宗君臣们萧规曹随，照唐太宗时法令执行，故永徽年间，边陲安定[57]，百姓阜安[58]，有贞观之遗风，史称“永徽之治”。其在位期间，唐朝的领土最广。[59]
武周时期
中国历史上唯一一位女皇帝武则天
唐高宗中期以后，政权逐渐由武则天掌握。武则天原为唐太宗的才人，唐太宗死后被唐高宗召入宫中。武则天在权力斗争中获胜，被立为皇后，史称“素多智计，兼涉文史”[61]。660年，唐高宗因身体原因，让武则天处理朝政，武则天因此与唐高宗并称为“二圣”[47][62]。唐高宗死后[63]，太子李显即位，是为唐中宗。因与唐中宗不合，武则天不久将其废为庐陵王，改立四子李旦为帝，是为唐睿宗。690年，武则天平定徐敬业反叛，废唐睿宗，继皇帝位，改国号为周，史称武周，定都洛阳，改洛阳为神都，降李旦为皇嗣，武则天成为中国历史上唯一的一个女皇帝。武则天掌权与称帝期间，科举制度得到进一步完善；武则天开创了殿试和武举。武则天掌权以来打击了关陇集团，大力提拔科举出身的官员，时称“北门学士”，很多是来自中原、关东与江南等地的士人，并且大力提拔人才，如狄仁杰、张柬之、张仁愿、姚崇等名臣将领。武则天称帝期间社会文化艺术亦有所进步，当时佛教大兴，武则天时期的佛寺兴建频繁，扩建的洛阳龙门石窟为这一时期的代表。史称武则天时期为“上承贞观，下启开元”或“政启开元，治宏贞观”。
神龙元年（705年），敬珲和宰相张柬之等发动神龙政变，逼迫武则天退位，李显复位，恢复了大唐国号，李旦被立为相王。唐中宗却一直受到韦皇后、女儿安乐公主和武则天的旧有党羽武三思等人的影响，张柬之和敬珲等人先后被流放或诛杀。韦皇后有意成为第二个武则天，安乐公主则曾要求被立为皇太女。在景龙四年（710年）韦皇后和安乐公主合谋毒杀唐中宗，韦皇后立温王李重茂为帝，是为唐殇帝，并欲加害相王李旦。李旦之子，当时是临淄王的李隆基，在太平公主协助下发动唐隆政变，诛杀韦皇后、安乐公主及武氏残余势力，拥立李旦复位。
开元盛世
唐睿宗复位后，其妹太平公主与太子李隆基发生权力之争。延和元年（712年），唐睿宗让位于李隆基，是为唐玄宗。次年，唐玄宗将太平公主赐死，党羽或杀或逐，结束了政斗。
唐玄宗整顿武周以来的弊政，政治上提拔姚崇、宋璟、张嘉贞、张说、李元纮、韩休、张九龄等贤臣为相，整饬腐败的吏治。并建立了一套考察制度，精简官僚，裁减冗官[122]，设采访使发展节度使制度，导致地方权力增大；经济上推崇节俭、抑制佛教，并几近荒废的义仓制度，又通过括户等手段缓解土地兼并导致的逃户问题；军事上改府兵制为募兵制，并兴复马政，对外收复了辽西营州，及唐睿宗时期赐给吐蕃的河西九曲之地，并再次降服契丹、奚、室韦、靺鞨等民族政权，西域方面吞并大小勃律并且攻灭突骑施，塞北方面降服复国的后突，后又扶持回鹘剪灭后突厥。
唐玄宗统治下，唐朝逐渐步入盛世，史称“开元盛世”，被认为是继孝宣中兴之后中国历史上出现的第二次鼎盛局面。
安史之乱
唐玄宗改元天宝后，承平日久，国家无事，统治者逐步丧失向上求治的精神，志得意满，开始放纵享乐，从此忽视国事。在纳杨玉环为贵妃后，更加沉溺酒色。唐玄宗任用有“口蜜腹剑”恶名的李林甫为宰相长达十八年，使得朝政败坏。李林甫死后，杨国忠为相，出现了宦官干政的局面，高力士的权势炙手可热。唐玄宗好大喜功，为此边境将领经常挑起对异族的战事，以邀战功。由于当时兵制由府兵制改为募兵制，使得节度使与军镇上的士兵结合在一起，导致边将专军的局面，其中以掌握重兵的胡人安禄山为最著。
唐玄宗
天宝十四年（755年）十一月，安禄山趁唐朝政治腐败、军事空虚之机，和史思明发动叛乱，次年十二月叛军攻入洛阳，唐玄宗率众逃至成都，史称“安史之乱”。太子李亨在灵武称帝，是为唐肃宗，唐玄宗被遥尊为太上皇。安禄山则在洛阳自称大燕皇帝，年号圣武。
唐至德二载（公元757年）正月，河南节度副使张巡、睢阳太守许远等人率领军民坚守隋唐大运河咽喉、江淮屏障睢阳（今河南商丘），在睢阳之战，叛将尹子奇为报屡败损目之仇，使安庆绪前后大军几十万人被睢阳城四千名守将所牵制。此次城市攻坚战长达十个月之久，如此方使唐朝能够反攻、使郭子仪能够从容收复两京。
长达八年时间的安史之乱使得唐朝元气大伤，从此由盛转衰。中央的权力大大削弱，节度使的权势越来越大。此时均田制已经逐步瓦解，土地兼并现象日趋严重，租庸调制也无法实行。战后大唐人丁锐减，土地大量荒芜，藩镇割据的现象形成。