武三思，梁宪王武元庆之子，武元庆为武则天之兄。弘道元年（683）十二月，武则天临朝，擢拜夏官尚书。
天授元年（690）九月，武则天即皇帝位，封梁王，拜天官尚书。正圣元年（695）,转春官尚书，监修园史。
神功元年 （697）六月，为同凤阁鸾台三品，检校内史、特进、太子宾客。圣历元年（698）二月，三思为谋求太子之位，数次使人说于武则天; “自古天子未有以异性为嗣者。”则天犹豫不能决。狄仁杰谏武则天曰：“陛下立太子，则千秋万岁后，配食太庙，承继无穷。立侄，则未闻侄为天子，而姑姑立于庙者也，则天听从了狄仁杰的建议 ，绝了以立三思为太子的主意。
三思略知文史，性格狡诈，善看风使舵，他是武则天的侄子, 贵宠无比。薛怀义、张易之、张昌宗为武则天的内宠，自由出入宫殿，武三思对他们屈节事之，一副奴才相。
薛怀义乘马，武三思为之执辔, 又赠张宗昌诗，声称昌宗才貌是王子晋后身，王子晋是周灵王的太子，传说死后成仙.。为了能为张易之执辔, 常常等候在易之家门口。由此三思特蒙信任，赏赐甚厚。
武则天晚年世居深宫，又欲与张易之、张昌宗等扈从驰骋， 以弄其权。武三思摸透了武则天的心思。乃请造三阳宫于嵩山、 兴泰宫于万寿山。武则天每岁临幸。前后二役甚众，耗费巨大， 百姓怨之。
神龙元年（705）正月，宰相张东之、中台右丞敬晖、司刑少卿桓彦范等杀张易之、张昌宗。
则天被迫传位于中宗李显今二 张被诛后，洛州长史薛季昶对张柬之、敬晖说：“二凶虽除，‘产、禄（即汉代吕产、吕禄）犹在，去草不去根，终当复生。朝邑尉刘幽求亦说；“武三思尚存，我辈皆终死无葬地。而张柬之等则对此认识不足，谓：“大事已定，所诛已多，不可复盖也。”’
当时中宗之女安乐公主嫁与武三思之子武崇训为妻，而武三思又与上官婉儿私通。上官婉儿是上官仪的孙女，上官仪被武则天处死后，上官婉儿没入掖庭，她聪明、伶俐，懂史事，善作文，很有口才,深得武则天喜爱，常参与百官表决。中宗即位后，益加重用，拜为婕妤，用事于宫中。于是，上官婉儿荐韦后，韦后引入宫中。他们相互勾结，以图恢复武氏政权。
武三思入宫中与中宗议政，他还与韦后私通。柬之数劝中宗诛诸武，中宗不但不听，反而更加信任武三思，常微服至其家。监察御史崔皎秘密上书劝谏。中宗泄其密于三思.于是，三思之党，恨之入骨。
武三思与兵部尚书宗楚客的人相勾结，诬陷别人，猜忌正直之士。他们以侍御史冉祖雍等五人为其耳目，时人称其为“三思五狗，三思益发重用，加开府仪同三司，继又以其为立功之人, 如非犯叛逆大罪，恕其十死。
敬晖等以考功员外郎崔温为耳目，以伺三思动静。崔温是个见利忘义之徒，中宗亲三思而远敬晖，乃悉以敬晖等之谋，告三思。于是，推荐为中书舍人，成了武三思的党羽，殿中侍御史郑情因陷媚张易之、张昌宗，二张事败后贬为宣州司士参军。
后又因贪脏，逃至洛阳，见武三思说：“大王虽得天子之意，但他们五人（指张柬之、敬晖等）皆据将相之权，又胆略过人，废太后易如反掌。大王不去此五人，危如朝露。”武三思听后十分高兴, 何以自安之策，荐引为中书舍人。于是，郑惜成了武三思的助理 。自此，武三思与韦后日夜诋毁张柬之等人，云其：“恃功专权，将不利于社稷”。中宗信之。
三思又为之策划：“不若封敬晖等为王，罢其政事，外则尊宠功臣，内则夺之实权’中宗采纳其意见。于是，武三思尽复武则天之政，不附武氏者斥之。大权尽归于武三思。
驸马都尉王同皎痛恨武三思及韦后之所为，每与其言，必咬牙切齿。原兖州司仓宋之逊匿其家中，窃问其言，遂密告武三思。三思即诬告王同皎密结壮士，谋杀三思、废韦后。于是，王国皎等人被处斩，张柬之等五人贬出朝廷。
张柬之虽出之外地，三思仍恨之入骨，崔混谓三思曰：“晖等异日北归，终为后患，不如遣使杀之了事。于是，武三思遣大理寺正周利用杀之。三思既杀五王，权倾朝野。神龙二年，卫王李重俊立为太子，韦后以其非己所生，深恶痛绝，而武三思更深恨之。
安乐公主和武崇训还常常欺侮他，或呼为奴，还请中宗早日废之。景龙元年（707）七 月，李重俊先发制人，派遣羽林骑兵三万余人，杀武三思、武崇训，于其家，并杀其党羽十余人。中宗、韦后、安乐公主、上官婉儿，逃往玄武门城楼，后发兵讨之，李重俊兵败被杀。
睿宗即位（710）,以武三思父子皆为叛逆为由。开棺暴尸，并且夷平其坟墓。