武则天（后自名武曌）为唐朝开国功臣武士彟次女，母亲杨氏（出身隋朝皇室，父亲为隋朝观德王杨雄之弟、遂宁公杨达），祖籍并州文水县（今山西省吕梁市文水县）。武则天于武德七年（624年）出生。关于其出生地，有利州（今四川广元）、长安（今陕西西安）洛阳等说。有异母兄长武元庆、武元爽，另有同母姐妹两人，一位是韩国夫人武顺（史书称武顺为其姐，《武顺墓志》称其妹），另一位是郭夫人。

武士彟从事木材买卖，家境殷实。隋炀帝大业末年，李渊（唐高祖）在河东时，多次在武家留住，因而结识。李渊在太原起兵反隋以后，武家曾资助过钱粮衣物。唐朝建立以后，武士彟以“元从功臣”身份官至工部尚书、荆州都督，封应国公。《中国通史》认为“按照武士彠的官阶爵位来说，应该是属于新升的高级士族了。所以武则天已不是出自庶族地主官僚家庭，而是出自由庶族地主官僚上升的士族官僚家庭”。

武士彟在贞观九年（635年）逝世后，她的堂兄武惟良、武怀运及武元爽等落井下石，对其母亲杨氏失礼。不久，武则天随母亲从荆州搬回长安居住。

贞观十一年（637年）十一月，唐太宗驾幸洛阳宫，听说十四岁的武则天“容止美”，遂召她入宫，封为五品才人，赐号“武媚”。武则天入宫前，向寡居的母亲杨氏告别时说：“侍奉圣明的天子，岂知非福？为何还要哭哭啼啼、作儿女之态呢？”

对于李世民在位时期武则天在宫中的生活，史书并没有详细的描述，仅见武则天在晚年时回忆自己为李世民驯马一事。李世民有马名叫狮子骢，肥壮任性，没有人能驯服它。武则天当时侍奉在侧，对李世民说：”我能制服它，但需要有三件东西：一是铁鞭，二是铁棍，三是匕首。用铁鞭抽打它，不服，则用铁棍敲击它的脑袋，又不服，则用匕首割断它的喉管。“李世民听后，颇为夸赞武则天的志气。但武则天并未得到李世民的宠爱，做了十二年的才人，地位始终没有得到提高。但在李世民病重期间，武则天和太子李治开始建立了感情。

贞观二十三年（649年），李世民驾崩，武则天依例与部分没有子女的嫔妃们一起入长安感业寺为尼，但她与新即位的高宗李治一直藕断丝连。

永徽元年（650年）五月，李治在为祭奠李世民周年忌日而入感业寺进香时，又与武则天相遇。两人相认，并互诉离别后的思念之情。因无子而失宠的王皇后看在眼里，便主动向李治请求将武则天纳入宫中，企图以此打击她的情敌萧淑妃。李治早有此意，当即应允。