载初元年（690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。

天授元年九月壬午日（690年10月16日），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，一切礼仪皆比照皇太子规格。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。

天授二年（691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。凤阁侍郎李昭德不但杖毙王庆之，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。

长寿二年（693年），武则天的宠婢韦团儿因引诱李旦被拒，怀恨报复，诬告皇嗣妃刘氏、德妃窦氏用巫蛊之术诅咒武则天。武则天将刘妃、窦妃秘密处死，埋在宫中。李旦对于两个妃子的失踪，丝毫不敢提及，在武则天面前也表现得泰然自若，仿佛什么都没有发生过。韦团儿还想加害李旦，结果遭到告发而被处死。不久，尚方监裴匪躬、内常侍范云仙因私下谒见李旦被杀。武则天又剥夺了李旦接见公卿百官的权力。

后来，李旦又被诬告谋反，武则天命酷吏来俊臣审理。来俊臣对东宫属官刑讯逼供，让他们“招出”李旦谋反的实情。乐工安金藏当众剖腹，以表明皇嗣没有谋反。武则天深受感动，不再怀疑李旦，命来俊臣停止审理。李旦因此而幸免于难

圣历元年（698年），武则天在狄仁杰、王方庆等大臣的劝说下，决定将政权归还给李氏。她命人前往房州，将庐陵王李显接回洛阳。李旦数次称病不朝，请求将储君之位让于李显。是年九月壬申日（10月24日），武则天复立李显为皇太子。

圣历二年（699年），李旦被复封为相王，并将名字由武轮改回李旦，兼领太子右卫率，后又遥领安北大都护。当时，武则天为了调解李氏与武氏的矛盾，召集两族子弟，在明堂盟誓，要两族和睦共处。李旦作为李氏代表，与李显、太平公主一同参与了盟誓。

长安元年（701年），突厥默啜可汗率军南侵。李旦被任命为天兵道元帅，统率诸军抵御突厥。他并未领军出征，只是名义上的唐军主帅。不久，突厥退兵，李旦又担任左、右羽林卫大将军。

长安二年（702年），突厥进犯并州。李旦被任命为并州牧，并充任安北道行军元帅。后来，李旦又改任雍州牧。

神龙元年（705年），宰相张柬之、崔玄暐等人发动神龙政变，诛杀武则天的面首张易之、张昌宗，逼迫武则天禅位于李显，是为唐中宗。当时，李旦统率南衙禁军，捕获韦承庆、崔神庆等张氏党羽，因功被拜为太尉、同凤阁鸾台三品，以宰相身份参预国政，并加号安国相王不久，李旦辞去太尉及知政事之职。唐中宗又欲立李旦为皇太弟，但却被其拒绝。(本章完)