貞觀(guān)二十三年(649年)，唐太宗病逝于行宮翠微宮，遺命長(zhǎng)孫無(wú)忌與褚遂良輔政，太子李治悲痛欲絕，抱著長(zhǎng)孫無(wú)忌的脖子痛哭，長(zhǎng)孫無(wú)忌請(qǐng)李治處理政事以安內(nèi)外，李治仍哀哭不止，無(wú)忌道：“陛下將宗廟社稷交付殿下，您怎能只知哭泣？”他秘不發(fā)喪，并讓李治迅速趕回長(zhǎng)安。

六月，太子李治繼位，是為唐高宗，長(zhǎng)孫無(wú)忌進(jìn)拜太尉、同中書(shū)門(mén)下三品，仍兼任揚(yáng)州都督，主持朝政，當(dāng)時(shí)，長(zhǎng)孫無(wú)忌以元舅的身份輔政，每有進(jìn)言，唐高宗都優(yōu)先采納，曾有洛陽(yáng)百姓李弘泰誣告長(zhǎng)孫無(wú)忌謀反，高宗立即下令將其處斬。

永徽四年(653年)，唐高宗命長(zhǎng)孫無(wú)忌審理房遺愛(ài)謀反案，吳王李恪名望素高，且與長(zhǎng)孫無(wú)忌有舊怨，長(zhǎng)孫無(wú)忌欲借機(jī)誅殺李恪，以絕眾望，便誣稱(chēng)李恪也參與謀反，二月，房遺愛(ài)等人被處斬，李恪也被賜死，死前大罵：“長(zhǎng)孫無(wú)忌竊弄威權(quán)，陷害良善，祖宗有靈，必讓其宗族覆滅。”江夏王李道宗、駙馬都尉執(zhí)失思力因與長(zhǎng)孫無(wú)忌不和，也被流放嶺南。

永徽五年(654年)，唐高宗欲廢黜王皇后，立武昭儀(武則天)為皇后，他擔(dān)心大臣不從，便與武則天到長(zhǎng)孫無(wú)忌家中飲宴，賞賜金寶繒錦十車(chē)，又任命無(wú)忌的三個(gè)庶子為朝散大夫，并以皇后無(wú)子來(lái)暗示無(wú)忌。

長(zhǎng)孫無(wú)忌卻假裝不明白高宗的意思，顧左右而言他，高宗怏怏而歸，后來(lái)，武則天的母親楊氏多次到長(zhǎng)孫無(wú)忌家中請(qǐng)求，禮部尚書(shū)許敬宗也加以勸說(shuō)，但都被無(wú)忌正色拒絕。

永徽六年(655年)，唐高宗決定廢后，召長(zhǎng)孫無(wú)忌、李勣、于志寧、褚遂良入內(nèi)殿商議，李勣稱(chēng)病未去，于志寧噤不敢言，褚遂良則激烈反對(duì)，長(zhǎng)孫無(wú)忌雖未明言反對(duì)，但卻在一定程度上支持褚遂良，但唐高宗最終還是將王皇后廢為庶人，改立武則天為皇后，武則天因長(zhǎng)孫無(wú)忌接受賞賜卻不肯支持自己，對(duì)他懷恨在心。