Když začala první světová válka, vyhlásilo Bulharsko přísnou neutralitu, ale car a germanofilská vláda pod vedením Vasila Radoslavova povzbuzovali obě strany, aby se ucházely o bulharskou intervenci. V tomto souboji mohly ústřední mocnosti (Rakousko-Uhersko a Německé císařství) nabídnout na úkor Srbska, Řecka a později i Rumunska mnohem více než Trojspolek (aliance Velké Británie, Francie a Ruska), který musel brát ohled na zájmy svých menších spojenců. V létě 1915, kdy se vojenská rovnováha vychýlila ve prospěch Německa, se Bulharsko přihlásilo k Centrálním mocnostem a 1. října vyhlásilo Srbsku válku (14. října). Někteří neutrální a proentéští političtí představitelé se proti tomu ohradili, ale nikdo nešel tak daleko jako agrární vůdce Stambolijski, který pohrozil carovi a vydal výzvu, aby se vojsko bránilo mobilizaci. Za tyto činy byl zatčen a odsouzen k doživotnímu vězení.
Na podzim 1918 bylo odvedeno přibližně 900 000 bulharských mužů, tedy téměř 40 % mužské populace. Armáda utrpěla 300 000 ztrát, z toho 100 000 padlých, což byly nejtěžší ztráty na obyvatele ze všech zemí zapojených do války. Ve vnitrozemí se kvůli špatnému počasí a nedostatku dospělých mužů snížila produkce obilí téměř na polovinu, zatímco obyvatelé měst trpěli nedostatkem potravin a pohonných hmot a nekontrolovatelnou inflací. „Ženské vzpoury“ za potraviny začaly počátkem roku 1917 a pokračovaly až do konce války. Revoluce v Rusku a naděje, které vzbudila americká intervence ve válce a mírový plán čtrnácti bodů amerického prezidenta Woodrowa Wilsona, se zdály být pro Bulhary příslibem změny a dále přispěly k rozkladu občanského pořádku a vojenské disciplíny. V červnu 1918 nahrazení proněmecky orientovaného Radoslavova Alexandrem Malinovem, vůdcem parlamentní opozice, vzbudilo naděje na ukončení války, ale místo toho frustrace vzrostla, když Malinov ustoupil odhodlání cara Ferdinanda bojovat dál.
15. září 1918 (nový styl) spojenecká vojska na makedonské frontě prolomila bulharské linie u Dobro Pole. Armáda se rozpadla, protože mnoho vojáků dezertovalo, aby se vrátilo domů, a ostatní zahájili pochod na Sofii, aby potrestali cara a stranické vůdce odpovědné za válku. Ferdinand se obrátil na Stambolijského a propustil agrárního vůdce z vězení výměnou za slib, že využije svého vlivu k obnovení pořádku mezi vojáky. Stambolijský se však k povstání připojil a ve vesnici Radomir, kde tábořila povstalecká vojska, vyhlásil Bulharsko republikou. Radomirské povstání nemělo dlouhého trvání, protože agrárníky vedený útok na Sofii byl odražen německými a makedonskými jednotkami, které zůstaly věrné carovi. To však znamenalo pouze dočasný oddech. Bulharská vláda požádala spojence o příměří, které bylo podepsáno 29. září. O čtyři dny později car Ferdinand abdikoval ve prospěch svého syna Borise III. a opustil zemi.
Bulharsko bylo za svou účast v první světové válce potrestáno smlouvou z Neuilly, která jižní část Dobrudže přiřkla Rumunsku, pás západního území včetně Cařihradu (dnes Dimitrovgrad) a Strumici Království Srbů, Chorvatů a Slovinců (později Jugoslávie) a území v Egejském moři získaná v balkánských válkách Spojencům, kteří je na konferenci v San Remu v roce 1920 předali Řecku. Bulharsko bylo rovněž odzbrojeno a bylo zatíženo velkým břemenem reparací.