李旦是唐高宗李治与武则天所生第四子。龙朔二年六月己未日（662年6月22日），生于长安。初名李旭轮，出生不久便被封为殷王，遥领冀州大都督、单于大都护、右金吾卫大将军。他在兄弟中排行最小，因而深受父亲唐高宗的宠爱。

李旭轮成年后，谦恭好学，精通书法，对文字训诂方面的学问很有研究。

总章二年（669年），李旭轮徙封冀王，改名为“李轮”。

上元二年（675年），李轮徙封相王，拜右卫大将军。

仪凤三年（679年），李轮迁任洛州牧。

永淳二年（683年），李轮又改名为李旦，再次封为豫王。

嗣圣元年（684年），武则天废皇帝李显为庐陵王，改立李旦为皇帝，并临朝称制，裁决一切政事。她以李旦的名义改年号为文明，册封正妃刘氏为皇后、长子李成器为皇太子。而后，李旦便被软禁在皇宫中，不得预闻政事，开始了傀儡皇帝的生活。他不但不能随意出入宫廷，甚至在皇宫中也不能自由行动。当时，英国公徐敬业在扬州起兵反对武则天。宰相裴炎趁机请武则天还政于李旦，结果被武则天以谋反罪名斩首。武则天派三十万大军镇压扬州叛乱，徐敬业兵败被杀。

垂拱二年（686年）正月，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。

垂拱四年（688年），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。武则天大喜，将白石命名为“宝图”（后改称“天授圣图”），又加尊号为圣母神皇。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。

当时，琅琊王李冲、越王李贞起兵反对武则天，结果都兵败身死。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。李唐宗室几乎被杀戮殆尽。