武三思，生年不详，卒于唐中宗神龙三年(707年)，并州文水（今属山西）人，唐荆州都督武士彟之孙，女皇武则天异母兄元庆之子。
弘道元年(683年)，高宗死，小宗李显继伙，武则天以太后身份临朝称制，掌握着唐朝实权。武则天为了巩固自己的权势和自己当皇帝，便火力起用武氏亲属，因此，武三思由右卫将军累进夏官(兵部)、春官(礼部)尚书，并监修国史。天授元年(690年)，武则天称帝，改唐为周。为尊崇武氏，武则天追封其先世祖先为皇帝，大封其侄及侄孙们为王。武三思为梁王，赐实封一千户。
武三思性乖巧，善揣人意，善阿谀奉承，所以特受武则天信任。早在光宅元年(684年)，武三思与其堂兄武承嗣，就屡劝武则天先杀掉“屈尊位重”的韩王李元嘉和鲁王李灵夔等。垂拱四年(688年)，以韩王、鲁王等和起兵反武的越王李贞、琅邪王李冲等通谋，迫令他们自杀，并尽杀其党羽，为武则天称帝扫清道路。垂拱元年 (685年)以后，武则天先后宠信薛怀义和张易之、张昌宗兄弟。武三思、武承嗣对薛怀义“皆执僮仆之礼以事之”，“怀义欲乘马，承嗣、三思必为之执辔”。对张易之、张昌宗兄弟，他们皆“争执鞭辔，谓易之为五郎，昌宗为六郎”。武三思还“赠昌宗诗，盛称昌宗才貌是王子晋后身，仍令朝士遥相屈和”。为了讨好武则天，延载元年(694年)八月，武三思帅四夷首长请铸铜铁为天枢，借以“黜唐颂周”。“诸胡聚钱百万亿，买铜铁不能足，赋民间农器以足之”。武则天晚年，年迈体衰，厌居宫中，武三思遂创建三阳宫于嵩山，兴泰宫于万寿山，供武则天每岁巡游。“工役巨万万，百姓愁叹”。
武三思讨好武则天及其宠臣，有其个人目的，他曾数使人劝说武则天：“自占天子未有以异姓为嗣者”，谋求当天子。圣历元年（698年），武则天虽在宰相狄仁杰、吉项等人的劝说下，决定立子不立侄，并召回其被废20余年的儿子李显，立为太子，但并不怪罪武三思，仍继续信任重用，圣历二年(699年)以武三思为内史（中书令），让他担任宰相要职。
武则天晚年，体弱多病，武三思和张易之、张昌宗兄弟掌握着朝廷大权。神龙元年（705年）正月，宰相张柬之、崔玄暐，与中台 (尚书省)右丞敬晖、司农少卿桓彦范、相王府司马袁恕己等发动军事政变，杀死二张及其同党，逼武则天传位中宗，但对武三思的能量和反扑，完全丧失警惕。
中宗是个昏庸无能之人，复位后，朝廷实权掌握在皇后韦氏、婕妤上官婉儿、娇女安乐公主手里。而武三思与韦后，上官捷妤私通，安乐公主又是武三思之子武崇训之妻。因此，中宗复位仅两个月，武三思就通过上官婉儿、韦后的关系，重登宰相高位。张柬之、敬晖等—看形势不妙，遂数劝中宗杀掉武三思，中宗不听；要求“抑损其禄位”，中宗也不听。张柬之等知大势已去，除了愤慨悔恨，已无可奈何！
武三思掌权以后，积极网罗亲信，迫害异己。他把打击矛头首先对准他最痛恨的帮助中宗复位的新任宰相敬晖、张柬之、桓彦范、袁恕己、崔玄暐等5人。神龙元年五月，中宗给敬晖等5人进爵为王，但却罢了他们的宰相职务。表面看来是尊宠功臣，其实是削夺他们的实权。接着，武三思令韦后、安乐公主进谗于内，让走狗侍御史郑怡构诬于外，很快就一步一步地把敬晖等5人贬官、流放，直至残酷地杀害。杀害了敬晖等五王之后，大权尽遍武三思，“凡不附武氏者斥之，为五王所逐者复之”。驸马都尉王同皎也是杀二张、帮助中宗复位的功臣，他非常痛恨“武三思及韦后所为，每与所亲言之，辄切齿”。武三思接到告密，即令党羽冉祖雍等，上书诬告王同皎与洛阳人张忡之，祖延庆等，“潜结壮士，谋杀三思，因勒兵诣阙，废皇后”。同皎等全部被杀。中书舍人岑羲因曾为敬玮等五王起草请削武氏诸王表，“语甚激切”，中书舍人偃师构当值，宣读此表，“辞色明厉”。武三思则贬岑羲官，出偃师构为润州刺史。朝官韦月将、高轸等曾上疏揭露武三思父子罪恶，有司秉承武三思的旨意，表奏“月将当弃市，轸配流岭外”。黄门侍郎宋璟坚持“月将所犯，不合至死”，大理卿尹思贞也借故要求推延刑期，武三思遂出尹思贞为青州刺史、宋璟为贝州刺史。武三思在排斥异己的同时，对阿附于他的兵部尚书宗楚客、御史中丞周利用等，大力提拔重用，作为自己的“羽翼”和“耳目”。时人把周利用、冉祖雍等斥之为武三思“五狗”。武三思常对人讲：“我不知代间何者谓之善人，何者谓之恶人，但于我善者则为善人，于我恶者则为恶人耳。”真可谓以我划线，顺我者昌、逆我者亡的典型。
中宗的太子李重俊，非韦后所生，韦后、武三思都很厌恶他。安乐公主，武崇训夫妻也经常侮辱太子，甚至呼太子为奴。武崇训又唆使安乐公主请求中宗废掉太子，立自己为皇太女。太子李重俊气愤之极，于景龙元年(707年)七月，与左羽林大将军李多祚等，发羽林千骑兵300余人，杀梦武三思、武崇训及其亲党10余人。武三思死，中宗追封其为梁王，谥曰宣；追封武崇训为鲁王，谥曰忠。睿宗立，下令将死去的武三思、武崇训斩棺、暴尸，平其坟墓。
武三思“略涉文史”，曾与魏元忠等撰《则天皇后实录》20卷。