Als der Erste Weltkrieg begann, erklärte Bulgarien strikte Neutralität, aber der Zar und eine deutschfreundliche Regierung unter Vasil Radoslavov ermutigten beide Seiten, sich um eine bulgarische Intervention zu bewerben. In diesem Wettstreit konnten die Mittelmächte (Österreich-Ungarn und das Deutsche Reich) auf Kosten Serbiens, Griechenlands und später Rumäniens weit mehr bieten als die Triple Entente (ein Bündnis aus Großbritannien, Frankreich und Russland), die auf die Interessen ihrer kleineren Verbündeten Rücksicht nehmen musste. Im Sommer 1915, als sich das militärische Gleichgewicht zu Gunsten Deutschlands verschob, schloss sich Bulgarien den Mittelmächten an und erklärte Serbien am 1. Oktober den Krieg (14. Oktober). Einige neutralistische und für die Entente eintretende Politiker erhoben Einspruch, aber keiner ging so weit wie der Agrarführer Stambolijski, der den Zaren bedrohte und die Truppen zum Widerstand gegen die Mobilisierung aufrief. Für diese Taten wurde er verhaftet und zu lebenslanger Haft verurteilt.
Bis zum Herbst 1918 waren etwa 900.000 bulgarische Männer, fast 40 Prozent der männlichen Bevölkerung, eingezogen worden. Die Armee hatte 300.000 Verluste zu beklagen, darunter 100.000 Gefallene – die höchsten Pro-Kopf-Verluste aller am Krieg beteiligten Länder. Im Landesinneren führten schlechtes Wetter und das Fehlen erwachsener männlicher Arbeitskräfte dazu, dass sich die Getreideproduktion fast halbierte, während die Bevölkerung in den Städten unter Lebensmittel- und Treibstoffmangel sowie unter der galoppierenden Inflation litt. Anfang 1917 begannen die „Frauenaufstände“ für Lebensmittel, die bis zum Ende des Krieges andauerten. Die Revolutionen in Russland und die Hoffnungen, die durch die amerikanische Intervention in den Krieg und den Friedensplan der Vierzehn Punkte von US-Präsident Woodrow Wilson geweckt wurden, schienen den Bulgaren einen Wandel zu versprechen und trugen weiter zum Zusammenbruch der zivilen Ordnung und der militärischen Disziplin bei. Im Juni 1918 weckte die Ablösung des deutschfreundlichen Radoslawow durch Alexander Malinow, einen Führer der parlamentarischen Opposition, Hoffnungen auf ein Ende des Krieges, doch stattdessen wuchs die Frustration, als Malinow der Entschlossenheit Zar Ferdinands, weiterzukämpfen, nachgab.
Am 15. September 1918 (Neuer Stil) durchbrachen die alliierten Streitkräfte an der mazedonischen Front die bulgarischen Linien bei Dobro Pole. Die Armee löste sich auf, da viele der Truppen desertierten, um nach Hause zurückzukehren, und andere begannen einen Marsch auf Sofia, um den Zaren und die Parteiführer, die für den Krieg verantwortlich waren, zu bestrafen. Ferdinand wandte sich an Stambolijski und entließ den Führer der Agrarier aus dem Gefängnis, wenn er versprach, seinen Einfluss geltend zu machen, um die Ordnung unter den Truppen wiederherzustellen. Stamboliyski schloss sich jedoch dem Aufstand an und rief in dem Dorf Radomir, in dem die aufständischen Truppen lagerten, die Republik Bulgarien aus. Der Radomir-Aufstand war nur von kurzer Dauer, da der von den Bauern angeführte Angriff auf Sofia von deutschen und mazedonischen Truppen zurückgeschlagen wurde, die dem Zaren treu blieben. Dies war jedoch nur eine vorübergehende Atempause. Die bulgarische Regierung ersuchte die Alliierten um einen Waffenstillstand, der am 29. September unterzeichnet wurde. Vier Tage später dankte Zar Ferdinand zu Gunsten seines Sohnes Boris III. ab und verließ das Land.
Bulgarien wurde für seine Rolle im Ersten Weltkrieg durch den Vertrag von Neuilly bestraft, der den südlichen Teil der Dobrudscha an Rumänien abtrat, einen Streifen westlichen Territoriums einschließlich Zaribrod (heute Dimitrowgrad) und Strumica an das Königreich der Serben, Kroaten und Slowenen (später Jugoslawien) und die in den Balkankriegen gewonnenen Gebiete in der Ägäis an die Alliierten, die sie 1920 auf der Konferenz von San Remo an Griechenland abtraten. Bulgarien wurde ebenfalls entwaffnet und mit hohen Reparationszahlungen belastet.