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（690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。

《旧唐书·睿宗本纪》：及革命，改国号为周，降帝为皇嗣，令依旧名轮，徙居东宫，其具仪一比皇太子。

《资治通鉴·唐纪二十》：“乙酉，上尊号曰圣神皇帝，以皇帝为皇嗣，赐姓武氏。”

《资治通鉴·唐纪二十》：九月，丙子，侍御史汲人傅游艺帅关中百姓九百馀人诣阙上表，请改国号曰周，赐皇帝姓武氏，太后不许；百官及帝室宗戚、远近百姓、四夷酋长、沙门、道士合六万馀人，俱上表如游艺所请，皇帝亦上表自请赐姓武氏。……庚辰，太后可皇帝及群臣之请。壬午，御则天数，赦天下，以唐为周，改元。乙酉，上尊号曰圣神皇帝，以皇帝为皇嗣，赐姓武氏；以皇太子为皇孙。

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。

《资治通鉴·唐纪二十》：先是，凤阁舍人修武张嘉福使洛阳人王庆之等数百人上表，请立武承嗣为皇太子。文昌右相、同凤阁鸾台三品岑长倩以皇嗣在东宫，不宜有此议。太后又问地官尚书、同平章事格辅元，辅元固称不可。由是大忤诸武意，故斥长倩令西征吐蕃，未至，征还，下制狱。承嗣又谮辅元。……冬，十月，己酉，长倩、辅元、通等皆坐诛。王庆之见太后，太后曰：“皇嗣我子，奈何废之？”对曰：“‘神不歆非类，民不祀非族。’今谁有天下，而以李氏为嗣乎！”……昭德引出光政门外，以示朝士曰：“此贼欲废我皇嗣，立武承嗣！”命扑之，耳目皆血出，然后杖杀之，其党乃散。昭德因言于太后曰：“天皇，陛下之夫；皇嗣，陛下之子。陛下身有天下，当传之子孙为万代业，岂得以侄为嗣乎！自古未闻侄为天子而为姑立庙者也！且陛下受天皇顾托，若以天下与承嗣，则天皇不血食矣。”太后亦以为然。

《资治通鉴·唐纪二十一》：太后享万象神宫，以魏王承嗣为亚献，梁王三思为终献。

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。

《资治通鉴·唐纪二十一》：户婢团儿为太后所宠信，有憾于皇嗣，乃谮皇嗣妃刘氏、德妃窦氏为厌咒。癸巳，妃与德妃朝太后于嘉豫殿，既退，同时杀之，瘗于宫中，莫知所在。皇嗣畏忤旨，不敢言，居太后前，容止自如。团儿复欲害皇嗣，有言其情于太后者，太后乃杀团儿。……甲寅，前尚方监裴匪躬、内常侍范云仙坐私谒皇嗣，腰斩于市。自是公卿以下皆不得见。

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。