Kun ensimmäinen maailmansota alkoi, Bulgaria julisti tiukan puolueettomuuden, mutta tsaari ja Vasil Radoslavovin johtama saksalaismielinen hallitus rohkaisivat molempia osapuolia tarjoamaan Bulgarian väliintuloa. Tässä kilpailussa keskusvallat (Itävalta-Unkari ja Saksan keisarikunta) pystyivät tarjoamaan Serbialle, Kreikalle ja myöhemmin Romanialle paljon enemmän Serbian, Kreikan ja myöhemmin Romanian kustannuksella kuin kolmoisliitto (Ison-Britannian, Ranskan ja Venäjän liitto), jonka oli otettava huomioon pienempien liittolaistensa edut. Kesällä 1915, kun sotilaallinen tasapaino kääntyi Saksan eduksi, Bulgaria sitoutui keskusvaltojen puolelle ja julisti sodan Serbialle 1. lokakuuta (14. lokakuuta). Jotkut puolueettomia ja liittoutumista kannattavat poliittiset vaikuttajat vastustivat sitä, mutta kukaan ei mennyt niin pitkälle kuin agraarijohtaja Stamboliyski, joka uhkasi tsaaria ja kehotti joukkoja vastustamaan mobilisointia. Näistä teoista hänet pidätettiin ja tuomittiin elinkautiseen vankeuteen.
Syksyyn 1918 mennessä noin 900 000 bulgarialaista miestä, lähes 40 prosenttia miespuolisesta väestöstä, oli kutsuttu asevelvollisiksi. Armeija kärsi 300 000 tappiota, joista 100 000 kaatui, mikä oli kaikkien sotaan osallistuneiden maiden suurimmat tappiot henkeä kohti. Sisämaassa huono sää ja aikuisen miespuolisen työvoiman puute puolitti viljan tuotannon lähes puoleen, kun taas kaupunkien asukkaat kärsivät elintarvike- ja polttoainepulasta sekä räjähdysmäisestä inflaatiosta. ”Naisten mellakat” elintarvikkeiden puolesta alkoivat vuoden 1917 alussa ja jatkuivat sodan loppuun asti. Venäjän vallankumoukset ja toiveet, joita Yhdysvaltojen puuttuminen sotaan ja Yhdysvaltain presidentin Woodrow Wilsonin 14 kohdan rauhansuunnitelma herättivät, näyttivät lupaavan Bulgariassa muutosta, ja ne edistivät entisestään siviilijärjestyksen ja sotilaskurin hajoamista. Kesäkuussa 1918 saksalaismielisen Radoslavovin korvaaminen parlamentaarisen opposition johtajalla Aleksandr Malinovilla herätti toiveita sodan päättymisestä, mutta sen sijaan turhautuminen lisääntyi, kun Malinov taipui tsaari Ferdinandin päättäväisyyteen jatkaa taistelua.
Syyskuun 15. päivänä 1918 (uusi tyyli) liittoutuneiden joukot Makedonian rintamalla murtautuivat bulgarialaisten linjojen lävitse Dobro Polella. Armeija hajosi, kun monet joukoista karkasivat palatakseen kotiin, ja toiset aloittivat marssin Sofiaan rangaistakseen sodasta vastuussa olevia tsaaria ja puoluejohtajia. Ferdinand kääntyi Stamboliyskin puoleen ja vapautti agraarijohtajan vankilasta vastineeksi tämän lupauksesta käyttää vaikutusvaltaansa järjestyksen palauttamiseksi joukkojen keskuudessa. Stamboliyski kuitenkin liittyi kapinaan, ja Radomirin kylässä, jossa kapinallisjoukot olivat leiriytyneet, hän julisti Bulgarian tasavallaksi. Radomirin kapina jäi lyhytaikaiseksi, sillä tsaarille uskollisina pysyneet saksalaiset ja makedonialaiset joukot torjuivat Agrarin johtaman hyökkäyksen Sofiaan. Tämä tarjosi kuitenkin vain tilapäisen hengähdystauon. Bulgarian hallitus pyysi liittoutuneilta aselepoa, joka allekirjoitettiin 29. syyskuuta. Neljä päivää myöhemmin tsaari Ferdinand luopui vallasta poikansa Boris III:n hyväksi ja poistui maasta.
Bulgariaa rangaistiin sen osallistumisesta ensimmäiseen maailmansotaan Neuillyn sopimuksella, jossa Dobrujan alueen eteläosa luovutettiin Romanialle, läntinen alueen kaistale, johon kuuluivat Tsaribrod (nyk. Dimitrovgrad) ja Strumica, Serbien, kroaattien ja sloveenien kuningaskunnalle (sittemmin Jugoslaviaksi kutsuttu maa-alue) ja Balkanin sodissa saadut Egeanmeren alueet liittoutuneille, jotka luovuttivat ne Kreikalle San Remon konferenssissa vuonna 1920. Myös Bulgaria riisuttiin aseista ja sille määrättiin raskas korvausvelka.