Cuando comenzó la Primera Guerra Mundial, Bulgaria se declaró estrictamente neutral, pero el zar y un gobierno germanófilo bajo el mando de Vasil Radoslavov animaron a ambos bandos a solicitar la intervención búlgara. En esta contienda, las Potencias Centrales (Austria-Hungría y el Imperio Alemán) podían ofrecer mucho más a costa de Serbia, Grecia y, más tarde, Rumanía que la Triple Entente (una alianza de Gran Bretaña, Francia y Rusia), que debía tener en cuenta los intereses de sus aliados más pequeños. Durante el verano de 1915, cuando la balanza militar se inclinó a favor de Alemania, Bulgaria se comprometió con las Potencias Centrales y declaró la guerra a Serbia el 1 de octubre (14 de octubre). Algunas figuras políticas neutralistas y pro-entente se opusieron, pero ninguna llegó tan lejos como el líder agrario Stamboliyski, que amenazó al zar y lanzó un llamamiento a las tropas para que se resistieran a la movilización. Por estos actos fue arrestado y condenado a cadena perpetua.
Para el otoño de 1918, aproximadamente 900.000 hombres búlgaros, casi el 40% de la población masculina, habían sido reclutados. El ejército sufrió 300.000 bajas, incluyendo 100.000 muertos, las pérdidas per cápita más graves de cualquier país involucrado en la guerra. En el interior, el mal tiempo y la ausencia de mano de obra masculina adulta redujeron la producción de grano casi a la mitad, mientras que los habitantes de las ciudades sufrieron la escasez de alimentos y combustible y una inflación galopante. Las «revueltas de las mujeres» por los alimentos comenzaron a principios de 1917 y continuaron hasta el final de la guerra. Las revoluciones en Rusia y las esperanzas inspiradas por la intervención estadounidense en la guerra y por el plan de paz de los Catorce Puntos del presidente estadounidense Woodrow Wilson parecían prometer un cambio para los búlgaros y contribuyeron aún más a la ruptura del orden civil y la disciplina militar. En junio de 1918, la sustitución del proalemán Radoslavov por Alexander Malinov, líder de la oposición parlamentaria, suscitó la esperanza de que se pusiera fin a la guerra, pero en su lugar aumentó la frustración cuando Malinov cedió a la determinación del zar Fernando de seguir luchando.
El 15 de septiembre de 1918 (nuevo estilo), las fuerzas aliadas en el frente de Macedonia rompieron las líneas búlgaras en Dobro Pole. El ejército se disolvió, ya que muchas de las tropas desertaron para volver a casa, y otras iniciaron una marcha sobre Sofía para castigar al zar y a los líderes del partido responsables de la guerra. Fernando se dirigió a Stamboliyski, liberando al líder agrario de la prisión a cambio de su promesa de utilizar su influencia para restaurar el orden entre las tropas. Sin embargo, Stamboliyski se unió a la sublevación y, en el pueblo de Radomir, donde acampaban las tropas rebeldes, proclamó la república de Bulgaria. La rebelión de Radomir duró poco, ya que el asalto liderado por los agrarios a Sofía fue rechazado por las fuerzas alemanas y macedonias que seguían siendo leales al zar. Pero esto sólo supuso un respiro temporal. El gobierno búlgaro pidió a los aliados un armisticio, que se firmó el 29 de septiembre. Cuatro días después, el zar Fernando abdicó en favor de su hijo Boris III y abandonó el país.
Bulgaria fue castigada por su participación en la Primera Guerra Mundial con el Tratado de Neuilly, que asignó la parte sur de la región de Dobruja a Rumanía, una franja de territorio occidental que incluía Tsaribrod (actual Dimitrovgrad) y Strumica al Reino de los Serbios, Croatas y Eslovenos (posteriormente llamado Yugoslavia), y los territorios del Egeo ganados en las Guerras Balcánicas a los Aliados, que los entregaron a Grecia en la Conferencia de San Remo de 1920. Bulgaria también fue desarmada y sometida a una pesada carga de reparaciones.