Az I. világháború kitörésekor Bulgária szigorú semlegességet hirdetett, de a cár és a Vaszil Radoszlavov vezette németbarát kormány mindkét felet bátorította, hogy bolgár beavatkozásra pályázzon. Ebben a versenyben a központi hatalmak (Ausztria-Magyarország és a Német Birodalom) sokkal többet tudtak ajánlani Szerbia, Görögország és később Románia rovására, mint a hármas antant (Nagy-Britannia, Franciaország és Oroszország szövetsége), amelynek figyelembe kellett vennie kisebb szövetségesei érdekeit. 1915 nyarán, amikor a katonai egyensúly Németország javára billent, Bulgária elkötelezte magát a Központi Hatalmak mellett, és október 1-jén (október 14-én) hadat üzent Szerbiának. A semleges és az antantpárti politikusok közül néhányan tiltakoztak, de egyikük sem ment olyan messzire, mint Sztambolijszkij agrárvezér, aki megfenyegette a cárt, és felhívást intézett a csapatokhoz, hogy álljanak ellen a mozgósításnak. E tetteiért letartóztatták és életfogytiglani börtönbüntetésre ítélték.
1918 őszére mintegy 900 000 bolgár férfit, a férfi lakosság közel 40 százalékát sorozták be. A hadsereg 300 000 áldozatot, köztük 100 000 halottat szenvedett, ami a háborúban részt vevő országok közül a legsúlyosabb egy főre jutó veszteség volt. A belső területeken a rossz időjárás és a felnőtt férfi munkaerő hiánya csaknem felére csökkentette a gabonatermelést, míg a városokban élelem- és üzemanyaghiánytól, valamint az elszabadult inflációtól szenvedtek. A “női lázadások” az élelmiszerekért 1917 elején kezdődtek és a háború végéig tartottak. Az oroszországi forradalmak és a háborúba való amerikai beavatkozás, valamint Woodrow Wilson amerikai elnök tizennégy pontos béketerve által táplált remények úgy tűntek, hogy változást ígérnek a bolgárok számára, és tovább hozzájárultak a polgári rend és a katonai fegyelem összeomlásához. 1918 júniusában a németbarát Radoszlavov leváltása Alekszandr Malinovval, a parlamenti ellenzék vezetőjével felcsillantotta a háború befejezésének reményét, ehelyett azonban a csalódottság egyre nőtt, mivel Malinov engedett Ferdinánd cár tovább harcolni akarásának.
1918. szeptember 15-én (új stílusban) a szövetséges erők a macedón fronton Dobro Pole-nál áttörték a bolgár vonalakat. A hadsereg feloszlott, mivel a katonák közül sokan dezertáltak, hogy hazatérjenek, mások pedig elindultak Szófia felé, hogy megbüntessék a háborúért felelős cárt és pártvezetőket. Ferdinánd Sztambolijszkihoz fordult, és szabadon engedte az agrárvezért a börtönből, cserébe azért az ígéretért, hogy befolyását felhasználva helyreállítja a rendet a csapatok között. Sztambolijszkij azonban csatlakozott a felkeléshez, és Radomir faluban, ahol a lázadó csapatok táboroztak, kikiáltotta Bulgáriát köztársaságnak. A radomiri lázadás rövid életű volt, mivel a Szófia elleni, agrár vezetésű támadást a cárhoz hűséges német és macedón erők visszaverték. Ez azonban csak átmeneti haladékot jelentett. A bolgár kormány fegyverszünetet kért a szövetségesektől, amelyet szeptember 29-én aláírtak. Négy nappal később Ferdinánd cár lemondott fia, III. Borisz javára, és elhagyta az országot.
Bulgáriát az I. világháborúban való részvételéért a Neuilly-i békeszerződés büntette, amely a Dobrudzsa-vidék déli részét Romániának, a nyugati terület egy sávját, beleértve Zaribrodot (ma Dimitrovgrad) és Strumicát a Szerb, Horvát és Szlovén Királyságnak (később Jugoszlávia), a balkáni háborúkban szerzett égei-tengeri területeket pedig a szövetségeseknek adta, akik 1920-ban a San Remó-i konferencián átadták azokat Görögországnak. Bulgáriát is lefegyverezték, és súlyos jóvátételi terheket róttak rá.