Când a început Primul Război Mondial, Bulgaria a declarat o neutralitate strictă, dar țarul și un guvern germanofil condus de Vasil Radoslavov au încurajat ambele părți să liciteze pentru o intervenție bulgară. În această competiție, Puterile Centrale (Austro-Ungaria și Imperiul German) puteau oferi mult mai mult în detrimentul Serbiei, Greciei și, mai târziu, al României decât putea face Tripla Înțelegere (o alianță formată din Marea Britanie, Franța și Rusia), care trebuia să țină cont de interesele aliaților săi mai mici. În vara anului 1915, când balanța militară s-a înclinat în favoarea Germaniei, Bulgaria s-a angajat alături de Puterile Centrale și a declarat război Serbiei la 1 octombrie (14 octombrie). Unele dintre personalitățile politice neutraliste și pro-entente s-au opus, dar niciuna nu a mers atât de departe ca liderul agrarienilor, Stamboliyski, care l-a amenințat pe țar și a lansat un apel pentru ca trupele să se opună mobilizării. Pentru aceste fapte a fost arestat și condamnat la închisoare pe viață.
Până în toamna anului 1918, aproximativ 900.000 de bărbați bulgari, aproape 40% din populația masculină, fuseseră înrolați. Armata a suferit 300.000 de pierderi, dintre care 100.000 de morți, cele mai grave pierderi pe cap de locuitor dintre toate țările implicate în război. În interior, vremea nefavorabilă și absența forței de muncă masculine adulte au redus producția de cereale aproape la jumătate, în timp ce cei din orașe au suferit din cauza lipsei de alimente și de combustibil și a inflației galopante. „Revoltele femeilor” pentru alimente au început la începutul anului 1917 și au continuat până la sfârșitul războiului. Revoluțiile din Rusia și speranțele inspirate de intervenția americană în război și de planul de pace în paisprezece puncte al președintelui american Woodrow Wilson păreau să promită schimbări pentru bulgari și au contribuit și mai mult la prăbușirea ordinii civile și a disciplinei militare. În iunie 1918, înlocuirea pro-germanului Radoslavov cu Alexander Malinov, un lider al opoziției parlamentare, a stârnit speranțe pentru sfârșitul războiului, dar, în schimb, frustrarea a crescut pe măsură ce Malinov a cedat în fața hotărârii țarului Ferdinand de a continua lupta.
La 15 septembrie 1918 (stil nou), forțele aliate de pe frontul macedonean au străpuns liniile bulgare la Dobro Pole. Armata s-a dizolvat, deoarece mulți dintre soldați au dezertat pentru a se întoarce acasă, iar alții au început un marș spre Sofia pentru a-i pedepsi pe țarul și pe liderii de partid responsabili de război. Ferdinand s-a adresat lui Stamboliyski, eliberându-l pe liderul agrarienilor din închisoare în schimbul promisiunii acestuia de a-și folosi influența pentru a restabili ordinea în rândul trupelor. Cu toate acestea, Stamboliyski s-a alăturat revoltei și, în satul Radomir, unde erau campate trupele rebele, a proclamat Bulgaria republică. Rebeliunea de la Radomir a fost de scurtă durată, deoarece asaltul condus de agrarieni asupra Sofiei a fost respins de forțele germane și macedonene care au rămas loiale țarului. Însă acest lucru a oferit doar un răgaz temporar. Guvernul bulgar a cerut Aliaților un armistițiu, care a fost semnat la 29 septembrie. Patru zile mai târziu, țarul Ferdinand a abdicat în favoarea fiului său Boris al III-lea și a părăsit țara.
Bulgaria a fost pedepsită pentru rolul său în Primul Război Mondial prin Tratatul de la Neuilly, care a atribuit porțiunea sudică a regiunii Dobrogea României, o fâșie de teritoriu vestic, inclusiv Tsaribrod (în prezent Dimitrovgrad) și Strumica, Regatului Sârbilor, Croaților și Slovenilor (numit ulterior Iugoslavia), iar teritoriile din Marea Egee câștigate în Războaiele Balcanice Aliaților, care le-au predat Greciei la Conferința de la San Remo din 1920. Bulgaria a fost, de asemenea, dezarmată și supusă unei grele poveri de reparații.
.