李唐宗室王公對武則天搞「聖母神皇」前前後後的所有把戲非常敏感，他們看透這位太后「潛謀革命」終將改朝換代而惶惶不安，一時盛傳明堂朝會是一場陰謀，武則天要對李唐宗室下手。此事究竟如何今已難明辨，只是當時許多人持此看法。韓王李元嘉在私下傳話：「大享之際，神皇必遣人告諸王密，因大行誅戮，皇家子弟無遺種矣。」東莞公李融問成均助教高子貢：「可以入朝否?」子貢回答：「來必取死。」於是李融稱病不朝。宗室王公為自救計，密懷匡復之志。
韓王與其子通州刺史黃公李譔謀「舉兵唱天下，迎還中宗。」垂拱四年七月李譔致書豫州刺史越王李貞，用暗語說：「內人病漸重，恐須早療；若至今冬，恐成痼疾，宜早下手，仍速相報。」李譔又詐為皇帝璽書給李貞之子博州刺史琅琊王李沖，偽稱：「朕被幽縶，王等宜各救拔我也。」李沖在博州也偽造皇帝璽書，稱：「神皇欲傾李家之社稷，移國祚於武氏。」他命博州長史蕭德琮等召募士卒，並分報韓、魯、霍、越、紀等五王，「各令起兵應按，以赴神都」。
在洛陽西北方面有絳州(今山西新絳)刺史韓王李元嘉；
在洛陽東北方面有青州(今山東益都)刺史唐高祖第十四子霍王李元軌，邢州(今河北邢台)刺史唐高祖第十九子魯王李靈夔；
在洛陽東南方面有豫州(今河南汝南)刺史唐太宗第八子越王李貞，唐高祖第十五子虢王李鳳之子申州(今河南信陽)刺史東莞公李融；
在洛陽西南方面有通州(今四川達縣)刺史黃公李譔，李元軌子金州(今陝西安康)刺史江都王李緒。
參與事變的還有唐高祖女常樂公主及其丈夫壽州(今安徽壽縣)刺史趙瓌、越王李貞的女婿汝南縣丞裴守德、唐高宗的女婿太平公主丈夫駙馬都尉薛紹及其兩個哥哥：濟州(今山東東阿西北)刺史薛顗薛緒。
韓王遣使約越王、琅琊王「四面同來，事無不濟」。「乃為中宗詔，督諸王發兵」。
越王起兵前派人聯絡壽州刺史趙瓌，其妻常樂公主對來人說：
為我報越王，與其進不與其退，爾諸王若是男兒，不應至許時尚未舉動。我常見耆老雲，隋文帝將篡奪周室，尉遲迥是周家外甥，猶能起兵相州，連結突厥，天下聞風，莫不響應。況爾諸王，並國家懿親，宗社是托，豈不學尉遲迥感恩效節，捨生取義耶?夫為臣子，若救國家則為忠，不救則為逆。諸王必須以匡救為急，不可虛生浪死，取笑於後代。越王的這位姑姑表現得情緒激憤，當時她在李唐宗室成員里，也是稱姑婆的老一輩女性的代表了。但越王的叔伯兄弟、魯王之子范陽王李藹卻「知越王必敗，白髮其謀」。將起兵的策劃情況報告給武則天。
李沖在博州起兵後準備南渡黃河赴濟州，與其叔伯妹夫薛顗連兵東進，薛顗得知李衝起兵也在作兵器募人準備接應。博州屬縣武水縣不從，李衝決定率募得的5000兵先擊武水解除後顧之憂。武水令郭務悌向魏州(今河北大名北)求救，魏州莘縣令馬玄素將兵1700救援，進入武水閉門死守。李沖令放火燒南門，不料火點燃後南風轉北風，李沖軍阻於火而城門安然無恙，天意滅曹，由是士氣沮喪。其屬下堂邑縣丞董玄寂對人說：「琅琊王與國家交戰，此乃反也。」李沖將他斬首示儆，但人心渙散一發不可收拾。「兵眾懼而散入草澤，不可禁止，惟有家僮左右不過數十而已」。李沖退回博州，未能進城便被守門者殺，他起兵僅七日便敗亡。
越王李貞接到其子李沖在博州起兵的消息後即舉兵豫州，他不知道這時李沖已敗亡三天了。
李衝起兵之後諸王莫有應者，惟越王李貞以父子之故勉力而從，北攻破上蔡縣。這時傳來李沖失敗的消息，他恐懼動搖，「索鎖欲自拘馳驛詣闕謝罪」。這時他所任命的屬縣新蔡令傅延慶募得勇士2000餘，便又想對抗一下，欺騙部下說：「琅琊王已破魏、相數州，聚兵至20萬，朝夕即到。」以此鼓舞士氣。
九月初一，武則天命左豹韜衛大將軍麴崇裕為中軍大總管，內史岑長倩為後軍大總管，率10萬軍討豫州，又命宰相張光輔為諸軍節度。
越王征屬縣兵5000和傅延慶所募勇士2000一共7000人馬，分為五營，署九品以上官500餘人，籠絡人心，還「令道士及僧轉讀諸經，以祈事集，家僮、戰士咸帶符以辟兵」。千方百計激勵士氣。可是「所署官皆迫脅見從，本無鬥志」。只有汝陽縣丞裴守德死心塌地跟著干，越王臨起兵時便把女兒嫁給他，起兵後用他為大將軍、內營總管，「委以爪牙心腹之任」。
狄仁傑歷官，德政昭著，在豫州為維持社會安定，和驕兵悍將進行毫不妥協的鬥爭，雖然因此被宰相張光輔參了一本，以「不遜」之過失貶復州刺史，本人並不介意。武則天慧眼識人，三年後提拔狄仁傑為宰相。一天，和他重提這段往事：「卿在汝南時，甚有善政，欲知譖卿者乎?」仁傑謝曰：「陛下以臣為過，臣當改之；陛下明臣無過，臣之幸也。臣不知譖者，並為善友，臣請不知。」武則天「深加嘆異」，以仁傑有長者之風。
被誅戮的還有虢王李鳳的第五子申州刺史東莞公李融，成均助教高子貢告訴他入朝必死後他便決定稱疾不朝。及得到越王李貞起兵書信，「倉猝不能應，為官屬所逼，執使者以聞」。本來越王李貞等「深倚仗融以為外助」，他的背約造成起兵速敗。不久事便敗露，十月，他和高子貢也被誅。
十一月，薛顗、薛緒兄弟伏誅，薛紹因是太平公主丈夫，杖一百，餓死獄中，得個全屍。
十二月，霍王李元軌廢徙黔州，坐檻車行至陳倉時死於道中。江都王李緒和裴寂孫殿中監郕公裴承先被戮於市。
鎮壓李唐宗室起兵之後，武則天在十二月二十日按計劃舉行拜洛受圖儀式，「皇帝、皇太子皆從，內外文武百官、蠻夷酋長各依方敘立，珍禽、奇獸、雜寶列於壇前，文物鹵簿之盛，唐興以來未之有也」。這是武則天和李唐宗室的一次較量大勝後的慶典。揚、豫、博兩次反武起兵的失敗，用事實證明再沒有什麼可以和她抗衡的力量。翌年元日享萬象神宮(明堂)，武則天堂而皇之地「服袞冕，搢大圭，執鎮圭為初獻」，皇帝和皇太子悄悄跟在後面為亞獻、終獻，江山誰主的格局已經明朗化，她正式登基只是個日程的問題了。