背景
武則天自唐高宗後期擅政以來，對內剪除異已臣僚與李唐宗室諸王，對外連年出征，企圖以單純武力平定周邊少數民族的叛亂與攻擾。致使國家政局動盪，朝內不穩，軍費增長，徵調日加。萬歲通天元年（696年）初，契丹發生饑荒，廣大百姓生活無著，窮困潦倒。剛愎自用的營州（治龍城，今遼寧朝陽）都督趙文翽不但不予賑給，反而視契丹首領如同奴僕，多次侵侮其管轄的契丹部屬。
過程
開始
趙文翽的行為激起了以營州契丹松漠都督李盡忠為首的契丹人的強烈不滿，李盡忠抓住唐朝內憂外患之機，與妻兄、歸城州刺史孫萬榮等商議後，決定乘機舉兵反武。五月十二日（6月16日），李盡忠、孫萬榮起兵反抗武周，攻陷營州，殺都督趙文翽。
696年（萬歲通天元年）六月二十五日，武則天派遣左鷹揚衛將軍曹仁師、右金吾衛大將軍張玄遇、左威衛大將軍李多祚、司農少卿麻仁節等二十八將討伐他們。
七月十一日，朝廷任命春官尚書梁王武三思為榆關道安撫大使，姚璹作他的副職，以防備契丹；改李盡忠為李盡滅，孫萬榮為孫萬斬。
擴大
李盡忠不久自稱無上可汗，占據營州，以孫萬榮為前鋒，攻城略地，所向無敵，十日間擁兵至數萬，進兵包圍檀州，被清邊前軍副總管張九節擊退。
八月二十八日，曹仁師、張玄遇、麻仁節與契丹交戰於東硤石谷，即黃獐谷之戰，幾乎全軍覆沒。這以前，契丹攻下營州時，俘虜周兵數百人，囚禁在地牢中。聽說周軍將到，契丹人讓一個守牢的族人欺騙他們說：“我們的家屬受饑寒不能生存，只等官軍到來便立即投降。”接著，契丹人又將他們領出地牢，讓他們喝糠粥，慰勞他們說：“養著你們，則沒有糧食，殺死你們，又不忍心，現在放你們走。”於是釋放他們。他們回到幽州，敘說上述的情況，周軍聽到後，都爭著要趕緊進軍。周軍到達黃獐谷，契丹人又派遣老弱兵民前來投降，故意在道邊丟棄老牛瘦馬。曹仁師等便留下步兵，領騎兵前進。契丹人設下埋伏從側面攻擊，用飛索將張玄遇與麻仁節絆倒，生擒他們。將卒死屍布滿山谷，很少有人逃脫。契丹人獲得周軍印信，便偽造文書讓張玄遇等簽名，通知總管燕匪石、宗懷昌等說：“官軍已破賊，如果你們不到達營州，軍官都斬首，兵卒不給勛級。”燕匪石等得到通知，便晝夜兼程，連吃飯睡覺都顧不上，一直往前趕，士卒馬匹都疲勞得很；結果被契丹人在中途埋伏截擊，全軍覆沒。
九月，武則天下令：“天下囚犯及官民家奴有勇力的，官府給錢贖出，發往前線進攻契丹。”朝廷開始命令崤山以東靠近邊地各州設定武騎團兵，任命同州刺史建安王武攸宜為右武威衛大將軍，充任清邊道行軍大總管，以討伐契丹。
右拾遺陳子昂任武攸宜軍府參謀，上疏說：“陛下下令赦免天下罪人及招募官民家奴當兵討伐契丹，這只是應急的辦法，不是天子的兵員。況且，近來刑獄早已公平，罪人減少，家奴多數懦弱，不習慣行軍打仗，縱使能募集到，也不見得可用。何況當今天下的忠臣義士，還沒有用上萬分之一，契丹小小的禍亂，發個命令就將誅滅，用不著赦免罪犯和贖出家奴，有損國家的體面！我恐怕這種政策不足以向天下顯示國家威力。”
相持
697年（神功元年），武則天派蘇宏暉、王孝傑率十七萬軍隊征討契丹。 三月十二日，蘇宏暉、王孝傑在東硤石谷（今河北唐山附近），與契丹孫萬榮遭遇，因為峽谷狹窄，前面峽谷外的契丹軍隊軍隊又非常多，王孝傑便親率少量精銳士卒為前鋒，且戰且進，奮勇衝殺，衝出谷外，又將士兵排成方陣與敵人交戰。但是這時蘇宏暉因為敵人太多而害怕，逃走，後方的唐軍主力沒有跟進、沒有來支援。王孝傑孤軍深入，寡不敵眾，墜崖身亡，他所率的少量先鋒也死亡殆盡。這一戰，敵人非常多，王孝傑以少打多，戰敗，所率少量先鋒死亡殆盡。“虜甚眾”，王孝傑“率精銳之士為先鋒”“深入寇境，以少御眾，但為後援不至，所以致敗”（見《舊唐書》列傳第四十三）。王孝傑深入敵境以少打多，兵數遠少於孫萬榮，王孝傑所率的是少量兵力。而“既無後繼”“後援不至” （見《舊唐書》列傳第四十三），說明蘇宏暉與大軍主力沒有前去支援王孝傑。最終王孝傑率領的少量先鋒死亡殆盡，而唐（周）軍主力沒有全軍覆沒。
節度官記張說返回後，武則天詢問王孝傑兵敗情況，張說曰：“孝傑忠勇敢死，乃誠奉國，深入寇境，以少御眾，但為後援不至，所以致敗。”武則天於是追贈王孝傑為夏官尚書，封耿國公。拜其子王無擇為朝散大夫。派使者到斬殺蘇宏暉，以示懲處。使者未至幽州，蘇宏暉已經立功贖罪，最終免於誅殺。
四月十八日，朝廷任命右金吾衛大將軍武懿宗為神兵道行軍大總管，與右豹韜衛將軍何迦密領兵進攻契丹。五月初八，又任命婁師德為清邊道副大總管，右武威衛將軍沙吒忠義為前軍總管，領兵二十萬進攻契丹。
武懿宗領軍至趙州，聽說契丹將領駱務整的數千騎兵將到冀州，武懿宗畏懼，想向南逃跑。有人說：“敵人沒有輜重，靠搶掠作給養，我們若屯兵拒守，他們勢必瓦解，然後乘機進擊，可獲得大的成功。”武懿宗不同意，退守相州，丟棄軍用物資和武器很多。契丹於是攻破了趙州。
孫萬榮打敗王孝傑後，在柳城西北四百里處憑藉險要地勢築城，留下老弱、婦女和所繳獲的武器資財，派他的妹夫乙冤羽留守，自己領精兵侵擾幽州。他恐怕突厥阿史那默啜襲擊他的背後，便派五個人到黑沙，對阿史那默啜說：“我已打敗王孝傑的百萬大軍，唐朝人已被嚇破了膽，請與您乘勝共同攻取幽州。”其中三人先到，阿史那默嗓高興，賜給他們紅袍。二人後到，阿史那默啜因他們遲緩拖延而發怒，要殺死他們。這二人說：“請進一言而後再死。”阿史那默啜問為什麼，二人報告了契丹的真實用意。阿史那默啜於是殺死先到的三個人，賜給後到的二人紅袍，讓他們充當嚮導，發兵進取契丹所築新城，殺死被他們俘虜的原唐朝涼州都督許欽明祭天；突厥包圍新城，三天后攻陷，全部俘虜該城的契丹人，讓乙冤羽迅速報告孫萬榮新城失守的訊息。
敗亡
當時孫萬榮正與唐兵對峙，軍中聽到新城失守的訊息，震驚不安，奚人背叛孫萬榮，武周神兵道總管楊玄基攻擊他前面，奚人攻擊他後面，俘獲他的將領 何阿小。孫萬榮軍潰散，孫萬榮率輕騎數千向東逃走。前軍總管張九節派兵在中途截擊，孫萬榮走投無路，與家奴逃至潞水東邊，在樹林下休息，嘆息說：“現在想歸降唐朝，罪惡已大。歸降突厥是死，歸降新羅也是死。將向何處去呢！”家奴砍下他的腦袋向武周投降，他的腦袋被張九節派人送到洛陽，掛在四方館門前示眾。他的餘眾及奚人、霫人都向突厥投降。 不久之後，武則天以李楷固、駱務整為將，率唐（周）軍攻打契丹餘黨，平定了所有契丹餘黨。
營州之亂鎮壓後，武則天命武懿宗、婁師德及狄仁傑分路到黃河以北各地安頓撫恤百姓。河內郡王武懿宗所到之處使用刑法非常殘酷，百姓有被迫跟從契丹而後又回來的，武懿宗都認為是反叛，將他們活活剖腹取膽。這以前，契丹何阿小好殺人，這時候黃河以北的人就說：“唯此兩何，殺人最多。”
評價
在武周平息營州之亂的過程中，武氏子弟基本上無功勞可言。本來武則天是想利用平亂的機會讓武氏子弟建功立業，為以後被立為嗣君鋪平道路，但平叛過程中武氏子弟的無能表現，充分暴露出他們才智極為平庸，不足托以後事。
影響
營州之亂雖然很快就被鎮壓，但它卻促使了武周政權內部長期存在的立嗣問題得到了解決。時隔不久，在狄仁傑的輔佐下，武則天就召廬陵王李顯回都，這宣告了武則天立嗣態度已由支持武氏轉為支持李氏，為後來李氏光復大唐政權得以恢復奠定了基礎。
其中，營州之亂結束與李顯返洛的時間相隔很近，說明它在武則天立嗣問題上確實起到了重要作用。面對一個影響力很小、人力和物力很難與中原抗衡的對手，武則天不分曲直，興師動眾，大張旗鼓地進行討伐，其目的就是要通過擴大事件的影響，為武氏子弟創造一個建功立業的機會，為立他們為嗣鋪平道路。但讓武則天失望的是，武氏子弟在平叛中的表現，充分暴露了他們的無才無能，根本不足以繼承大統。所以，在來自各方面擁護李唐的壓力下，武則天也進一步認識到人心所向的不是武氏、而是李唐宗室，如果再一意孤行，就會有喪失人心的危險。況且在後來一次徵兵中，“初募兵，無有應者，聞太子（李顯）行，北郊山頭皆兵滿，無容人處。” 也更加說明李唐才是眾望所歸。在經過多方權衡之後，武則天最終決定立李顯為太子，李武之間的太子之爭以李唐宗室獲得勝利而告終。
