公元六百八十六年，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。
同年，四子李隆范出生。
公元六百八十八年，武则天侄子周国公武承嗣将一块刻有“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。
武则天见后，大喜，将白石命名为“天授圣图”，又自封尊号为圣母神皇。
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。
此事震惊全国，遭到众多李氏宗室反对。遂，琅琊王李冲、越王李贞起兵反对，结果都兵败身死，同时参与起兵的韩王李元嘉、鲁王李灵夔、霍王李元轨、纪王李慎、江都王李绪、黄国公李撰、东莞郡公李融、常乐公主等，或被逼自杀，或斩首市曹，或死于流放途中。
自此，李唐宗室几乎被杀戮殆尽。
同年，五子李隆业出生。
公元六百九十年，侍御史傅游艺，率关中百姓九百人上表朝廷，请武则天称帝。
百官、宗室、外戚、四夷酋长，乃至僧尼、道士，纷纷劝进。
李旦迫于形势，也上表请母后称帝，并求赐武姓。
同年九月，武则天正式称帝，建立武周。
李旦被降为皇嗣，复名为“轮”，赐姓武氏，称“武轮”，迁居东宫，一切礼仪皆照皇太子规格。
太子李成器则降称皇孙。
自此，李旦成为了武氏诸王以及酷吏的攻击目标，开始了艰难的皇嗣生涯。
公元六百九十一年，魏王武承嗣的亲信张嘉福唆使洛阳百姓王庆之，纠集数百民众，诣阙上表，以“神不歆非类，民不祀非族”为由，请武则天废黜李旦的皇嗣身份，改立武承嗣为皇太子。
宰相岑长倩、格辅元反对变易皇嗣，被武承嗣诬以谋反，下狱被杀。
凤阁侍郎李昭德知道此事之后，不仅杖毙王庆之，还借机劝谏武则天，保住了李旦的皇嗣之位。
但后来，武则天在万象神宫举行祭祀典礼，竟不顾“皇太子为亚献”的礼制，避开了皇嗣李旦，改由武承嗣为亚献，并命梁王武三思为终献。
公元六百九十二年，六子李隆悌出生，但在七百零二年时薨。