景龙四年六月壬午日（710年7月3日），唐中宗驾崩（传说是被韦皇后毒杀）。韦皇后立温王李重茂为皇帝，改元唐隆，以皇太后的身份临朝摄政。她派亲信控制南北衙禁军以及尚书省诸司，大肆网罗党羽，准备效法武则天，篡夺唐室江山。当时，李旦作为皇帝的叔父，被拜为太尉，与太平公主成为韦后夺位的主要障碍。韦党决意将二人置于死地。而李旦第三子李隆基则在京师暗中招揽豪杰，与太平公主密谋匡扶社稷。兵部侍郎崔日用本是韦氏一党，因惧祸将韦氏阴谋密报给李隆基。

六月庚子日（7月21日），李隆基在葛福顺、李仙凫等禁军将领的协助下，打着“诛诸韦以复社稷，立相王以安天下”的旗号，抢先发动兵变，杀死韦皇后、安乐公主及其党羽，而后迎李旦入宫辅佐少帝。李旦携李重茂登上安福门，安抚百姓。

当时，李隆基被拜为宰相，进封平王，并统率万骑禁军，控制了皇城内外。李重茂迫于形势，请求让位于叔父李旦。李旦起初极力推辞，后听从李隆基、李成器等人的劝说，接受了李重茂的让位。六月甲辰日（7月25日），李旦在太极殿登基，第二次即位为帝。他登上承天门，宣布大赦天下，改元景云，复封李重茂为温王。

当时，李隆基建有大功，而李成器则是嫡长子，都有被立为太子的资格。李旦为此犹豫不决。李成器以“国家安则先嫡长，国家危则先有功”为由，主动辞让太子之位。刘幽求等政变功臣也大都支持李隆基。李旦遂立李隆基为皇太子。

李隆基被立为太子后，政治势力日益增长，成为太平公主干预朝政的主要障碍。太平公主为了长保权势，便想更易太子，于是在朝野散布流言，声称李隆基并非皇帝嫡长子，没有被立为太子的资格，但因李旦公开宣谕平息流言，未能得逞。她还在李隆基左右安插耳目，监视他的日常行为，并与窦怀贞等大臣结为朋党，密谋加害李隆基。后来，太平公主与李隆基的矛盾逐渐公开化。她甚至将宰相邀截在宣政殿光范门内，暗示他们应当劝皇帝改立太子，遭到宋璟的严词拒绝。

景云二年二月丁丑日（711年2月23日），李旦听从宰相姚崇、宋璟、张说的建议，命李隆基监国，并将可能威胁到太子地位的李成器等诸王全部削去兵权，同时让太平公主迁居蒲州（今山西永济）。但太平公主却到李旦面前哭诉，不但留在了京中，还将姚崇、宋璟贬出了朝廷。后来，李旦又欲传位给太子，虽在群臣的谏阻下未能如愿，但却将政务全部交给李隆基处理，自己仅掌握军务、死刑的处决权，以及五品以上官员的任免权。

先天元年八月庚子日（712年9月8日），李旦因彗星出现，禅位于太子李隆基，退为太上皇，但仍掌握三品以上官员的任命权以及重大刑案的裁决权。他每五日在太极殿接受群臣的朝贺，仍旧自称为朕。而皇帝李隆基则只能自称为“予”。