永淳二年(683年)，李治驾到奉天宫，当时武后从封泰山以后，劝李治封中岳，李治因患病而终止，李治苦于头痛不可忍耐，侍医秦鸣鹤道：“刺头微微出血，可以治愈。”
武后在帷帐中说道：“此医可斩首，想要在陛下头上刺出血来吗!”李治说：“我苦于头痛，出血未必不好!”侍医就用针刺百会，李治道：“我的眼睛明亮了。”
不久，诏命皇太子李显代理国政，裴炎、刘齐贤、郭正一等人在东宫任同平章事，李治从奉天宫回东都洛阳，病得很厉害，宰相以下大臣都不能晋见。
同年十二月，诏令改永淳二年为弘道元年，将要宣布赦免之书，李治想要亲自到则天门楼，由于气不顺而不能上马，于是召百姓在殿前宣读赦免书，礼毕，李治问侍臣：道“百姓喜欢吗?”侍臣道：“百姓承蒙皇上赦免，没有一个人不感动喜悦。”李治道：“百姓虽喜，但我的性命危险。天神地神若延长我一两个月的命，能够回长安，死也无遗憾了。”
当晚，李治在贞观殿去世，终年五十六岁，宣布遗诏：“七天装在灵柩内，皇太子在灵柩前即皇帝位，园陵制度，务以节俭，军国大事有不能决断者，请天后处理决断。”群臣上谥号曰天皇大帝，庙号高宗。
文明元年(684年)八月十一日，安葬在乾陵，天宝十三年(754年)，改谥为天皇大弘孝皇帝。