武則天為唐朝開國功臣武士彠次女，母親楊氏（出身隋朝皇室，父親為隋朝觀德王楊雄之弟、遂寧公楊達），祖籍幷州文水縣（今山西省文水縣北徐村人）。武則天於武德七年（624年）生於利州（今四川廣元），一說生於長安（今陝西西安）。有異母兄長武元慶、武元爽，另有同母姐妹兩人，一位是南韓夫人武順（史書稱武順為其姐，《武順墓誌》稱其妹），另一位是郭夫人。

武士彠從事木材買賣，家境殷實。隋煬帝大業末年，李淵（唐高祖）在河東時，多次在武家留住，因而結識。李淵在太原起兵反隋以後，武家曾資助過錢糧衣物。唐朝建立以後，武士彠以“元從功臣”身份官至工部尚書、荊州都督，封應國公。白壽彝因此在《中國通史》中認為“按照武士彠的官階爵位來說，應該是屬於新升的高階士族了。所以武則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計程車族官僚家庭”。

武士彠在貞觀九年（635年）逝世後，武則天才十二歲。她的堂兄武惟良、武懷運及武元爽等落井下石，對其母親楊氏失禮。不久，武則天隨母親從荊州搬回長安居住。