Toen de Eerste Wereldoorlog begon, verklaarde Bulgarije zich strikt neutraal, maar de tsaar en een germanofiele regering onder leiding van Vasil Radoslavov moedigden beide partijen aan een Bulgaars interventiebod te doen. In deze strijd konden de Centrale Mogendheden (Oostenrijk-Hongarije en het Duitse Rijk) veel meer bieden ten koste van Servië, Griekenland en, later, Roemenië dan de Triple Entente (een alliantie van Groot-Brittannië, Frankrijk en Rusland), die rekening moest houden met de belangen van haar kleinere bondgenoten. Tijdens de zomer van 1915, toen de militaire balans in het voordeel van Duitsland doorsloeg, sloot Bulgarije zich aan bij de Centrale Mogendheden en verklaarde op 1 oktober (14 oktober) Servië de oorlog. Sommige neutrale en pro-entente politici maakten bezwaar, maar niemand ging zo ver als de agrarische leider Stamboliyski, die de tsaar bedreigde en de troepen opriep zich te verzetten tegen de mobilisatie. Voor deze daden werd hij gearresteerd en veroordeeld tot levenslange gevangenisstraf.
Tegen de herfst van 1918 waren ongeveer 900.000 Bulgaarse mannen, bijna 40 procent van de mannelijke bevolking, opgeroepen. Het leger leed 300.000 slachtoffers, waaronder 100.000 gesneuvelden, de zwaarste verliezen per hoofd van de bevolking van alle landen die bij de oorlog betrokken waren. In het binnenland werd de graanproductie bijna gehalveerd door het slechte weer en de afwezigheid van volwassen mannelijke arbeidskrachten, terwijl de bevolking in de steden te lijden had van tekorten aan voedsel en brandstof en van een uit de hand gelopen inflatie. De “vrouwenrellen” om voedsel begonnen in het begin van 1917 en gingen door tot het einde van de oorlog. De revoluties in Rusland en de hoop die werd gewekt door de Amerikaanse interventie in de oorlog en door het Veertien Punten Vredesplan van de Amerikaanse president Woodrow Wilson leken de Bulgaren verandering te beloven en droegen verder bij tot de ineenstorting van de burgerlijke orde en de militaire discipline. In juni 1918 deed de vervanging van de pro-Duitse Radoslavov door Alexander Malinov, een leider van de parlementaire oppositie, de hoop op een einde van de oorlog opleven, maar in plaats daarvan nam de frustratie toe toen Malinov toegaf aan de vastberadenheid van tsaar Ferdinand om door te vechten.
Op 15 september 1918 (Nieuwe Stijl) braken de Geallieerde troepen aan het Macedonische front door de Bulgaarse linies bij Dobro Pole. Het leger viel uiteen, omdat veel troepen deserteerden om naar huis terug te keren, en anderen begonnen aan een mars naar Sofia om de tsaar en de partijleiders die verantwoordelijk waren voor de oorlog te straffen. Ferdinand wendde zich tot Stamboliyski en bevrijdde de Agrarische leider uit de gevangenis in ruil voor zijn belofte zijn invloed aan te wenden om de orde onder de troepen te herstellen. Stamboliyski sloot zich echter aan bij de opstand en riep Bulgarije in het dorp Radomir, waar de opstandige troepen gelegerd waren, uit tot een republiek. De Radomir-opstand was van korte duur: de door de Agrariërs geleide aanval op Sofia werd afgeslagen door Duitse en Macedonische troepen die trouw bleven aan de tsaar. Maar dit was slechts een tijdelijk respijt. De Bulgaarse regering vroeg de geallieerden om een wapenstilstand, die op 29 september werd ondertekend. Vier dagen later deed tsaar Ferdinand afstand van de troon ten gunste van zijn zoon Boris III en verliet het land.
Bulgarije werd voor zijn aandeel in de Eerste Wereldoorlog gestraft met het Verdrag van Neuilly, waarbij het zuidelijke deel van de Dobruja-regio aan Roemenië werd toegewezen, een strook westelijk gebied met inbegrip van Tsaribrod (nu Dimitrovgrad) en Strumica aan het Koninkrijk der Serviërs, Kroaten en Slovenen (later Joegoslavië genoemd), en de Egeïsche gebieden die in de Balkanoorlogen waren gewonnen aan de geallieerden, die ze op de Conferentie van San Remo in 1920 aan Griekenland overdroegen. Ook Bulgarije werd ontwapend en kreeg een zware herstelbetalingslast opgelegd.