Da Første Verdenskrig begyndte, erklærede Bulgarien sig strengt neutralt, men tsaren og en tyskvenlig regering under Vasil Radoslavov opfordrede begge sider til at anmode om bulgarsk intervention. I denne konkurrence kunne centralmagterne (Østrig-Ungarn og det tyske kejserrige) tilbyde langt mere på bekostning af Serbien, Grækenland og senere Rumænien end Triple Entente (en alliance af Storbritannien, Frankrig og Rusland), som måtte tage hensyn til sine mindre allieredes interesser. I løbet af sommeren 1915, da den militære balance svingede til Tysklands fordel, forpligtede Bulgarien sig til at tilslutte sig Centralmagterne og erklærede Serbien krig den 1. oktober (14. oktober). Nogle af de neutralistiske og pro-entente politiske personer gjorde indsigelse, men ingen gik så langt som agrarlederen Stamboliyski, der truede zaren og udsendte en opfordring til tropperne om at modstå mobiliseringen. For disse handlinger blev han arresteret og dømt til livsvarigt fængsel.
I efteråret 1918 var ca. 900.000 bulgarske mænd, næsten 40 procent af den mandlige befolkning, blevet indkaldt. Hæren led 300.000 tab, herunder 100.000 dræbte, hvilket var det største tab pr. indbygger af alle de lande, der var involveret i krigen. I det indre af landet blev kornproduktionen næsten halveret på grund af dårligt vejr og manglen på voksen mandlig arbejdskraft, mens befolkningen i byerne led under mangel på mad og brændstof og under en galopperende inflation. “Kvindernes optøjer” for mad begyndte tidligt i 1917 og fortsatte til krigens afslutning. Revolutionerne i Rusland og de forhåbninger, som den amerikanske indgriben i krigen og den amerikanske præsident Woodrow Wilsons fredsplan med de fjorten punkter gav løfte om forandring for bulgarerne, bidrog yderligere til sammenbruddet af den civile orden og den militære disciplin. I juni 1918 gav udskiftningen af den pro-tyske Radoslavov med Alexander Malinov, en leder af den parlamentariske opposition, håb om en afslutning på krigen, men i stedet voksede frustrationen, da Malinov gav efter for zar Ferdinands beslutsomhed om at kæmpe videre.
Den 15. september 1918 (ny stil) brød de allierede styrker på den makedonske front igennem de bulgarske linjer ved Dobro Pole. Hæren opløstes, da mange af tropperne deserterede for at vende hjem, og andre begyndte en march mod Sofia for at straffe zaren og partilederne, der var ansvarlige for krigen. Ferdinand henvendte sig til Stamboliyski og løslod den agrariske leder fra fængslet til gengæld for hans løfte om at bruge sin indflydelse til at genoprette ro og orden blandt tropperne. Stamboliyski sluttede sig imidlertid til oprøret og proklamerede Bulgarien som republik i landsbyen Radomir, hvor oprørstropperne havde slået lejr. Radomir-oprøret var kortvarigt, da det agrarisk ledede angreb på Sofia blev slået tilbage af tyske og makedonske styrker, der forblev loyale over for zaren. Men det gav kun et midlertidigt pusterum. Den bulgarske regering bad de allierede om en våbenstilstand, som blev underskrevet den 29. september. Fire dage senere abdicerede zar Ferdinand til fordel for sin søn Boris III og forlod landet.
Bulgarien blev straffet for sin rolle i Første Verdenskrig ved Neuilly-traktaten, der overdrog den sydlige del af Dobruja-regionen til Rumænien, en stribe vestlige områder, herunder Tsaribrod (nu Dimitrovgrad) og Strumica, til Kongeriget af serbere, kroater og slovenere (senere Jugoslavien) og de Ægæiske områder, der blev vundet under Balkankrigene, til de allierede, som overdrog dem til Grækenland på konferencen i San Remo i 1920. Bulgarien blev også afvæbnet og pålagt en tung byrde af erstatninger.