永淳二年(683年)，李治駕到奉天宮，當時武后從封泰山以後，勸李治封中嶽，李治因患病而終止，李治苦於頭痛不可忍耐，侍醫秦鳴鶴道：“刺頭微微出血，可以治癒。”
武后在帷帳中說道：“此醫可斬首，想要在陛下頭上刺出血來嗎!”李治說：“我苦於頭痛，出血未必不好!”侍醫就用針刺百會，李治道：“我的眼睛明亮了。”
不久，詔命皇太子李顯代理國政，裴炎、劉齊賢、郭正一等人在東宮任同平章事，李治從奉天宮回東都洛陽，病得很厲害，宰相以下大臣都不能晉見。
同年十二月，詔令改永淳二年爲弘道元年，將要宣佈赦免之書，李治想要親自到則天門樓，由於氣不順而不能上馬，於是召百姓在殿前宣讀赦免書，禮畢，李治問侍臣：道“百姓喜歡嗎?”侍臣道：“百姓承蒙皇上赦免，沒有一個人不感動喜悅。”李治道：“百姓雖喜，但我的性命危險。天神地神若延長我一兩個月的命，能夠回長安，死也無遺憾了。”
當晚，李治在貞觀殿去世，終年五十六歲，宣佈遺詔：“七天裝在靈柩內，皇太子在靈柩前即皇帝位，園陵制度，務以節儉，軍國大事有不能決斷者，請天后處理決斷。”羣臣上諡號曰天皇大帝，廟號高宗。
文明元年(684年)八月十一日，安葬在乾陵，天寶十三年(754年)，改諡爲天皇大弘孝皇帝。
