政变登基
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。
内禅退位
景云二年二月丁丑日（711年2月23日[31]），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”。当时，太平公主依仗李旦的信任，在朝中仍拥有强大的势力，七位宰相有五人出自她的门下，文武百官也大都依附于她。她公然提出要废掉皇帝，因宰相陆象先反对而未遂。后来，李旦有意遣皇帝李隆基出京巡边，但最终却因故延期，将日期改为明年八月。先天二年七月甲子日（713年7月29日），李隆基为夺回皇帝应有的权力，抢先发动先天政变，率羽林军袭杀窦怀贞、萧至忠、岑羲等太平公主党羽，随后赐死太平公主。李旦初闻变乱，与宰相郭元振登承天门避乱。他得知李隆基已扑灭太平公主的势力，遂下诏宣布窦怀贞等人的罪状，而后正式归政于皇帝，退居百福殿，颐养天年。至此，李隆基终于掌握了全部朝政。
晚年病逝开元四年六月甲子日（716年7月13日），李旦在百福殿病逝，享年五十五岁。七月己亥日（8月17日），追谥大圣贞皇帝（《新唐书》作大圣真皇帝），庙号睿宗。十月庚午日（11月16日），葬于桥陵（在今渭南丰山）。天宝八载六月戊申日（749年7月4日），李旦被改谥为玄真大圣皇帝。天宝十三载二月癸酉日（754年3月5日），李旦又被加谥为玄真大圣大兴孝皇帝。
为政举措政治中央李旦两次称帝，但第一次完全是母亲的傀儡，只有第二次登基期间才算真正掌权。他即位初期，以姚崇、宋璟为宰相，并在其辅佐下，革除弊政，整修纲纪，拨乱反正，使朝政呈现出一派振兴气象，史称“复有贞观、永徽之风”。昭雪冤案：李旦即位以后，对中宗年间的一些冤案进行了平反和昭雪。他追谥庶人李重俊为节愍太子，并追复张柬之、崔玄暐、敬晖、桓彦范、袁恕己、李千里、李多祚、王同皎、苏安恒等人的官爵。[39][40]裁减冗官：中宗年间，韦皇后与安乐公主专擅朝政，公开卖官鬻爵，不经中书门下，由皇帝直接任命官员，称为斜封官。到中宗后期，靠花钱上来的官员多达数千人。李旦即位以后，下诏将斜封官全部罢免，同时罢免了各公主府官。恢复三铨制度：唐初规定，官员的选用、考绩都由尚书省主管，文官经由吏部，武官经由兵部，尚书与侍郎合称三铨。中宗年间，因韦后专权，三铨制度遭到破坏。李旦即位后，下诏恢复了三铨制，并让姚崇和宋璟分别兼任兵部尚书、吏部尚书，负责文武官员的考选工作。整顿北衙禁军：北衙禁军的核心力量称为万骑，因在唐隆政变中建有大功，在长安多有不法之举。李旦即位后，将万骑将士全部放到京外为官，并停止从户奴中招募万骑兵员。他又增置飞骑，隶属于左右羽林军，以取代万骑的核心地位。后来，李旦又将左右万骑与左右羽林军整编为北门四军。削除诸王兵权：李旦为保障太子李隆基的地位，免去宋王李成器、申王李成义、岐王李隆范、薛王李隆业的左右卫大将军、左右羽林大将军军职，并明确规定诸王、驸马不得统领禁军。清算韦氏乱党：李旦即位后，对中宗年间祸乱朝纲的韦氏乱党进行追究清算。他追废韦皇后、安乐公主为庶人，将党附韦氏的宰相萧至忠、韦嗣立、赵彦昭、崔湜全部罢免，贬为刺史。越州长史宋之问、饶州刺史冉祖雍皆流放岭南。消除武氏影响：中宗年间，武则天虽然退位，但武氏一族仍有很大的影响力。李旦即位后，取消武则天的“则天大圣皇后”称号，复称“天后”，并废除武氏崇恩庙及昊陵（武则天之父武士彟之墓）、顺陵（武则天之母杨氏之墓）。他还追削武三思、武崇训父子的官爵，铲平其坟墓，剖棺戮尸，极力打击武氏的残存势力，消除武氏一族在政治上的影响力。而与此同时，李旦还非常信任妹妹太平公主，常与她一同商议朝廷大政，甚至到了“每入奏事，坐语移时；或时不朝谒，则宰相就第咨之”的地步。每有宰相奏事，李旦都要先问：“可曾与太平商量过吗？”然后才问：“可曾与三郎（太子李隆基）商量过吗？”当得知了太平公主和李隆基的意见后，他才做出决定。当时，太平公主可谓是权倾朝野，权势甚至超过了李旦。李旦即位后的第二年，便失去了刚即位时的进取精神。他任用窦怀贞、崔湜等为宰相，并将已经罢免的斜封官全部恢复，使得朝政出现腐败和混乱的现象，史称“复如景龙之世”。后来，李旦不听大臣劝谏，征发数万民工，耗费一百万缗，大肆拆毁民居，为女儿金仙公主、玉真公主修建道观。他还在太平公主的请求下，恢复了昊陵、顺陵的陵号，并设置陵官。[49]地方景云二年（711年）四月，李旦以山南道、陇右道所辖区域阔远为由，将山南道分为山南东道、山南西道。他又将陇右道黄河以西的凉州、甘州、肃州、瓜州、沙州、伊州、西州等七州划出，设置河西道，并设置节度使、支度使、营田使等职。贺拔延嗣成为首任河西节度使，节度使从此成为朝廷正式官职。同年六月壬午日（6月28日，李旦又拟将全国（不包括洛州及近畿州）分为二十四个都督府管区，令都督纠察所管州刺史以下官吏，但因都督权柄过大，遭到群臣反对，未能实行。他又废除负责地方监察事务的右御史台，设置十道按察使，负责监督地方政治，使得按察使一职成为常设官员。