ในวันที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2458 กองทัพบัลแกเรียได้โจมตีเซอร์เบียหลังจากบัลแกเรียได้ลงนามสนธิสัญญากับจักรวรรดิออสเตรีย-ฮังการีและเยอรมนี ที่ซึ่งสัญญาจะให้ดินแดนของเซอร์เบียเป็นการตอบแทนบัลแกเรีย เรียกศึกนี้ว่า ยุทธการเซอร์เบีย พระเจ้าซาร์เฟอร์ดินานด์มิได้ชื่นชอบแนวทางของจักรพรรดิวิลเฮล์มที่ 2 แห่งเยอรมนี ผู้เป็นพระญาติหรือสมเด็จพระจักรพรรดิฟรานซ์ โจเซฟที่ 1 แห่งออสเตรีย พระปิตุลา พระเจ้าซาร์ตรัสถึงจักรพรรดิออสเตรียว่า "ฟรานซิส โจเซฟเป็นตาแก่ที่บ้าและขี้หลงขี้ลืม" แต่เนื่องจากทรงต้องการผลประโยชน์ในดินแดนต่างๆหลังจากพ่ายแพ้ในสงครามบอลข่าน ทำให้พระองค์ต้องผูกสัมพันธไมตรีกับศัตรูเก่าคือ จักรวรรดิออตโตมัน

ในช่วงที่สงครามกำลังดำเนินอยู่ เซอร์เบียพ่ายแพ้สงคราม และบัลแกเรียได้ครอบครองดินแดนมาซิโดเนีย 2 ปีต่อมาบัลแกเรียต้องต่อสู้กับกองทัพสัมพันธมิตรที่ประจำการอยู่ในกรีซ และทหารบัลแกเรียอีกส่วนหนึ่งสามารถโจมตีและยึดครองโรมาเนียในปีพ.ศ. 2459

จากนั้น ในฤดูใบไม้ร่วง พ.ศ. 2461 กองทัพบัลแกเรียได้ถูกโจมตีโดยกองทัพสัมพันธมิตรในกรีซ ด้วยที่ทรงทำให้กองทัพพ่ายแพ้ พระเจ้าซาร์เฟอร์ดินานด์ทรงแสดงความรับผิดชอบโดยสละราชบัลลังก์เพื่อปกปักษ์รักษาบัลแกเรียไว้ พระโอรสของพระองค์ได้ครองราชย์สืบต่อพระนามว่า พระเจ้าซาร์บอริสที่ 3 แห่งบัลแกเรียในวันที่ 3 ตุลาคม พ.ศ. 2461 ภายใต้การนำของรัฐบาลใหม่ บัลแกเรียได้ประกาศยอมแพ้สงครามต่อฝ่ายพันธมิตร เป็นผลให้สูญเสียดินแดนเพียงเล็กน้อย และยังได้รับดินแดนที่ต่อสู้แล้วได้รับมาตั้งแต่สมัยสงครามบอลข่านคืนมาและเข้าถึงทะเลอีเจียน