När första världskriget började förklarade Bulgarien strikt neutralitet, men tsaren och en tyskvänlig regering under Vasil Radoslavov uppmuntrade båda sidor att begära bulgarisk intervention. I denna tävling kunde centralmakterna (Österrike-Ungern och det tyska kejsardömet) erbjuda mycket mer på Serbiens, Greklands och senare Rumäniens bekostnad än vad trippelententen (en allians mellan Storbritannien, Frankrike och Ryssland) kunde göra, som var tvungen att ta hänsyn till sina mindre allierades intressen. Under sommaren 1915, när den militära balansen svängde till Tysklands fördel, engagerade sig Bulgarien i centralmakterna och förklarade krig mot Serbien den 1 oktober (14 oktober). En del av de neutralistiska och pro-entente-politikerna protesterade, men ingen gick så långt som agrarledaren Stamboliyski, som hotade tsaren och utfärdade en uppmaning till trupperna att motsätta sig mobiliseringen. För dessa handlingar arresterades han och dömdes till livstids fängelse.
Under hösten 1918 hade cirka 900 000 bulgariska män, nästan 40 procent av den manliga befolkningen, värvats. Armén drabbades av 300 000 förluster, varav 100 000 dödades, vilket var de allvarligaste förlusterna per capita av alla länder som deltog i kriget. I inlandet minskade spannmålsproduktionen nästan till hälften på grund av dåligt väder och avsaknaden av vuxen manlig arbetskraft, medan invånarna i städerna drabbades av brist på mat och bränsle och av den galopperande inflationen. ”Kvinnornas uppror” för att få tag på mat började i början av 1917 och fortsatte fram till krigsslutet. Revolutionerna i Ryssland och de förhoppningar som väcktes av det amerikanska ingripandet i kriget och av den amerikanske presidenten Woodrow Wilsons fredsplan med fjorton punkter tycktes lova förändring för bulgarerna och bidrog ytterligare till att den civila ordningen och den militära disciplinen bröt samman. I juni 1918 ersattes den tyskvänliga Radoslavov av Alexander Malinov, en ledare för den parlamentariska oppositionen, vilket väckte förhoppningar om ett slut på kriget, men i stället ökade frustrationen när Malinov gav efter för tsar Ferdinands beslutsamhet att kämpa vidare.
Den 15 september 1918 (ny stil) bröt de allierade styrkorna på den makedonska fronten igenom de bulgariska linjerna vid Dobro Pole. Armén upplöstes, då många av trupperna deserterade för att återvända hem och andra påbörjade en marsch mot Sofia för att straffa tsaren och partiledarna som var ansvariga för kriget. Ferdinand vände sig till Stamboliyski och släppte den agrara ledaren från fängelset i utbyte mot att han lovade att använda sitt inflytande för att återställa ordningen bland trupperna. Stamboliyski anslöt sig dock till upproret och i byn Radomir, där upproriska trupper hade slagit läger, utropade han Bulgarien till republik. Radomirupproret blev kortvarigt, eftersom det agrarledda angreppet på Sofia slogs tillbaka av tyska och makedonska styrkor som förblev lojala mot tsaren. Men detta gav bara en tillfällig respit. Den bulgariska regeringen bad de allierade om ett vapenstillestånd som undertecknades den 29 september. Fyra dagar senare abdikerade tsar Ferdinand till förmån för sin son Boris III och lämnade landet.
Bulgarien straffades för sin roll i första världskriget genom Neuillyfördraget, som tilldelade den södra delen av Dobrujaområdet till Rumänien, en remsa av det västra territoriet inklusive Tsaribrod (numera Dimitrovgrad) och Strumica till Serbernas, kroaternas och slovenskarnas kungarike (som senare kallades Jugoslavien) och de Egeiska territorier som vunnits under Balkankrigen till de allierade, som överlämnade dem till Grekland vid konferensen i San Remo 1920. Bulgarien avväpnades också och utsattes för en tung börda av skadestånd.