Gdy rozpoczęła się I wojna światowa, Bułgaria ogłosiła ścisłą neutralność, ale car i germanofilski rząd Wasyla Radosławowa zachęcali obie strony do ubiegania się o bułgarską interwencję. W tej rywalizacji mocarstwa centralne (Austro-Węgry i Cesarstwo Niemieckie) mogły zaoferować znacznie więcej kosztem Serbii, Grecji, a później Rumunii, niż Potrójna Ententa (sojusz Wielkiej Brytanii, Francji i Rosji), która musiała brać pod uwagę interesy swoich mniejszych sojuszników. Latem 1915 roku, kiedy równowaga militarna przechyliła się na korzyść Niemiec, Bułgaria opowiedziała się po stronie mocarstw centralnych i 1 października (14 października) wypowiedziała wojnę Serbii. Niektórzy politycy neutralistyczni i pro-entententowi sprzeciwiali się temu, ale żaden nie posunął się tak daleko jak przywódca agrarny Stamboliyski, który groził carowi i wezwał wojsko do oporu przeciwko mobilizacji. Za te czyny został aresztowany i skazany na dożywotnie więzienie.
Do jesieni 1918 roku około 900 000 bułgarskich mężczyzn, prawie 40 procent męskiej populacji, zostało wcielonych do armii. Armia poniosła 300 000 ofiar, w tym 100 000 zabitych, co stanowiło największe straty w przeliczeniu na jednego mieszkańca spośród wszystkich krajów biorących udział w wojnie. W głębi kraju zła pogoda i brak dorosłych mężczyzn zmniejszyły produkcję zboża prawie o połowę, podczas gdy mieszkańcy miast cierpieli z powodu niedoboru żywności i paliwa oraz gwałtownej inflacji. Na początku 1917 roku rozpoczęły się „kobiece zamieszki” o żywność, które trwały do końca wojny. Rewolucje w Rosji i nadzieje związane z amerykańską interwencją w wojnę i planem pokojowym prezydenta USA Woodrowa Wilsona „Czternaście punktów” zdawały się zapowiadać zmiany dla Bułgarów i jeszcze bardziej przyczyniły się do załamania porządku cywilnego i dyscypliny wojskowej. W czerwcu 1918 roku zastąpienie proniemieckiego Radosławowa przez Aleksandra Malinowa, lidera opozycji parlamentarnej, wzbudziło nadzieję na zakończenie wojny, ale zamiast tego frustracja wzrosła, gdy Malinow uległ determinacji cara Ferdynanda, by walczyć dalej.
W dniu 15 września 1918 roku (Nowy Styl) siły alianckie na froncie macedońskim przełamały linie bułgarskie pod Dobro Pole. Armia rozwiązała się, gdyż wielu żołnierzy zdezerterowało, by wrócić do domu, a inni rozpoczęli marsz na Sofię, by ukarać cara i przywódców partyjnych odpowiedzialnych za wojnę. Ferdynand zwrócił się do Stamboliyskiego, uwalniając go z więzienia w zamian za obietnicę, że użyje swoich wpływów, by przywrócić porządek wśród wojsk. Stamboliyski jednak przyłączył się do powstania i we wsi Radomir, gdzie obozowały oddziały rebeliantów, proklamował Bułgarię republiką. Rebelia radomierska trwała krótko, gdyż prowadzony przez agrariuszy szturm na Sofię został odparty przez siły niemieckie i macedońskie, które pozostały wierne carowi. Było to jednak tylko chwilowe wytchnienie. Rząd bułgarski poprosił aliantów o zawieszenie broni, które zostało podpisane 29 września. Cztery dni później car Ferdynand abdykował na rzecz swojego syna Borysa III i opuścił kraj.
Bułgaria została ukarana za swój udział w I wojnie światowej traktatem z Neuilly, który przydzielił południową część regionu Dobrudży Rumunii, pas zachodniego terytorium obejmujący Caribród (obecnie Dimitrovgrad) i Strumicę Królestwu Serbów, Chorwatów i Słoweńców (zwanemu później Jugosławią), a terytoria egejskie zdobyte w wojnach bałkańskich aliantom, którzy zwrócili je Grecji na konferencji w San Remo w 1920 roku. Bułgaria również została rozbrojona i poddana ciężkim obciążeniom reparacyjnym.