Lorsque la Première Guerre mondiale commence, la Bulgarie déclare une stricte neutralité, mais le tsar et un gouvernement germanophile dirigé par Vasil Radoslavov encouragent les deux camps à faire des offres pour une intervention bulgare. Dans cette compétition, les puissances centrales (l’Autriche-Hongrie et l’Empire allemand) pouvaient offrir beaucoup plus aux dépens de la Serbie, de la Grèce et, plus tard, de la Roumanie que la Triple-Entente (une alliance de la Grande-Bretagne, de la France et de la Russie), qui devait tenir compte des intérêts de ses plus petits alliés. Au cours de l’été 1915, lorsque la balance militaire penche en faveur de l’Allemagne, la Bulgarie s’engage aux côtés des Puissances centrales et déclare la guerre à la Serbie le 1er octobre (14 octobre). Certaines personnalités politiques neutralistes et pro-entente s’y opposent, mais aucune ne va aussi loin que le leader agraire Stamboliyski, qui menace le tsar et lance un appel aux troupes pour résister à la mobilisation. Pour ces actes, il fut arrêté et condamné à la prison à vie.
À l’automne 1918, environ 900 000 hommes bulgares, soit près de 40 % de la population masculine, avaient été conscrits. L’armée a subi 300 000 pertes, dont 100 000 tués, les pertes par habitant les plus sévères de tous les pays impliqués dans la guerre. Dans l’intérieur du pays, le mauvais temps et l’absence de main-d’œuvre masculine adulte réduisent de près de moitié la production céréalière, tandis que les habitants des villes souffrent de pénuries de nourriture et de carburant et d’une inflation galopante. Les « émeutes des femmes » pour la nourriture ont commencé au début de 1917 et se sont poursuivies jusqu’à la fin de la guerre. Les révolutions en Russie et les espoirs suscités par l’intervention américaine dans la guerre et par le plan de paix en quatorze points du président américain Woodrow Wilson semblaient promettre un changement pour les Bulgares et ont contribué à l’effondrement de l’ordre civil et de la discipline militaire. En juin 1918, le remplacement du pro-allemand Radoslavov par Alexandre Malinov, un chef de l’opposition parlementaire, a suscité l’espoir d’une fin de la guerre, mais au lieu de cela, la frustration a augmenté lorsque Malinov a cédé à la détermination du tsar Ferdinand de continuer à se battre.
Le 15 septembre 1918 (nouveau style), les forces alliées sur le front macédonien ont percé les lignes bulgares à Dobro Pole. L’armée se dissout, car de nombreuses troupes désertent pour rentrer chez elles, et d’autres entament une marche sur Sofia pour punir le tsar et les chefs de parti responsables de la guerre. Ferdinand se tourne vers Stamboliyski, libérant le leader agraire de prison en échange de sa promesse d’user de son influence pour rétablir l’ordre parmi les troupes. Stamboliyski, cependant, se joint au soulèvement et, au village de Radomir, où les troupes rebelles campent, proclame la Bulgarie république. La rébellion de Radomir est de courte durée, car l’assaut sur Sofia mené par les agrariens est repoussé par les forces allemandes et macédoniennes restées fidèles au tsar. Mais ce répit n’est que temporaire. Le gouvernement bulgare demande aux Alliés un armistice, qui est signé le 29 septembre. Quatre jours plus tard, le tsar Ferdinand abdique en faveur de son fils Boris III et quitte le pays.
La Bulgarie est punie pour sa participation à la Première Guerre mondiale par le traité de Neuilly, qui attribue la partie méridionale de la région de la Dobroudja à la Roumanie, une bande de territoire occidentale comprenant Tsaribrod (aujourd’hui Dimitrovgrad) et Strumica au Royaume des Serbes, Croates et Slovènes (appelé par la suite Yougoslavie), et les territoires égéens gagnés lors des guerres balkaniques aux Alliés, qui les remettent à la Grèce lors de la conférence de San Remo en 1920. La Bulgarie est également désarmée et soumise à un lourd fardeau de réparations.