ב-27 באוגוסט 1916 הצטרפה ממלכת רומניה למערכה לצד מדינות ההסכמה. הרומנים תקפו את הצבא האוסטרו-הונגרי בהרי הקרפטים ונעו לתוך טרנסילבניה. מפקד זירת הבלקן מטעם מעצמות המרכז אוגוסט פון מקנזן הורה על פתיחת מתקפה נגד רומניה בגזרת דוברוג'ה כדי להקל על הלחץ בגזרת טרנסילבניה. הארמייה הבולגרית השלישית בפיקודו של סטפן טושב בצירוף חטיבה גרמנית והגיס העות'מאני השישי שמנה שתי אוגדות פתחו במתקפה שיעדה העיר קונסטנצה. הבולגרים הביסו את הרומנים בקרב טורטוקאיה, הארמייה הרומנית השלישית החלה בנסיגה מהירה מחבל דרום דוברוג'ה והצבא הבולגרי השתלט על השטח. ב-15 בספטמבר הפסיקו הרומנים את המתקפה בטרנסילבניה וניתבו את כוחותיהם למערכה מול כוחותיו של פון מקנזן בגזרת דוברוג'ה. צבא האימפריה הרוסית החיש כוחות לבוקרשט כדי לסייע לרומנים והכוחות המשולבים תקפו את כוחות מעצמות המרכז ליד קובאדין. לאחר הצלחה ראשונית נבלמה מתקפת הנגד הרומנית-רוסית. ב-19 באוקטובר יצאה הארמייה הבולגרית השלישית למתקפה נוספת, במסגרתה נכבשה העיר קונסטנצה והכוחות הרומנים והרוסים נסוגו לכיוון הדלתה של הדנובה.
ב-23 בנובמבר חצו כוחות מעצמות המרכז את הדנובה ליד סבישטוב, הפתיעו את הכוחות הרומנים והצליחו לכבוש שטחים נרחבים. בראשית דצמבר יצאו הרומנים למתקפת נגד כושלת בגזרת הנהר ארג'ש. בעקבות כישלון המתקפה החל הצבא הרומני בנסיגה רחבה ומהירה לאורך כל החזית. בראשית דצמבר הביסו כוחות מעצמות המרכז את הצבא הרומני בקרב בוקרשט שהוביל לכניעת העיר ולמעבר ההנהגה הרומנית לעיר יאשי. ב-27 בדצמבר נכבשה רמניקו סראט, ב-5 בינואר 1917 נכבשה בראילה וב-8 בינואר פוקשאן. במהלך החורף התייצבה החזית, עניין שאיפשר לצבא הרומני להתארגן מחדש ולפתוח בסדרת מתקפות במהלך קיץ 1917. אף על פי שהרומנים והרוסים לא הצליחו לפרוץ את קווי מעצמות המרכז, סדרת המתקפות אילצה את פיקוד מעצמות המרכז להקצות כוחות גדולים לזירה זו. עם פרוץ מהפכת אוקטובר עזב הצבא הרוסי את זירת הלחימה, הרומנים נותרו לבדם במערכה וב-9 בדצמבר 1917 נאלצו לחתום על הסכם שביתת נשק עם מעצמות המרכז. ב-3 במרץ 1918 נחתם חוזה ברסט-ליטובסק אשר סיים את מצב הלוחמה בין מעצמות המרכז לאימפריה הרוסית. ב-7 במאי 1918 אולצו הרומנים לחתום על חוזה בוקרשט ובמסגרתו מסרו את חבל דרום דוברוג'ה כולו וחלק מצפון דוברוג'ה לבולגריה. תביעותיה הטריטוריאליות של בולגריה לקבלת כל חבל דוברוג'ה לא נענו במלואן, שאר חלקי החבל נותרו בידי כוחות צבא גרמניים והעניין עורר זעם רב בבולגריה. אי קבלת התביעות הטריטוריאליות בשילוב הקיפאון בחזית המקדונית וחוסר השקט מבית הובילו להתפטרות ראש הממשלה רדוסלאבוב ובמקומו מונה אלכסנדר מלינוב. מלינוב התפטר אף הוא לאחר מספר חודשים ובמקומו מונה תאודור תאודורוב.
תבוסת בולגריה.
נטיית החזית המקדונית לרעת הבולגרים.
באפריל 1917 הועבר מתפקידו אוטו פון בלו, מפקד קבוצת הארמיות שהייתה כוח המערכה העיקרי של מעצמות המרכז בזירה, ובמקומו מונה פרידריך פון שולץ. "קבוצת הארמיות בלו" הפכה ל"קבוצת הארמיות שולץ". הכוח המקורי שהורכב מהארמייה ה-11 הגרמנית והארמייה הבולגרית הראשונה, עובה ב-3 אוגדות בולגריות נוספות ומנה בסך הכול 7 אוגדות בולגריות בגיבוי פיקודי של קציני מטה גרמנים ואוסטרו-הונגרים. לכוח נספחה גם הארמייה ה-2 הבולגרית, אך למרות בקשתם החוזרת של הגרמנים היא נותרה תחת פיקוד עצמאי. ניקולה ז'קוב מפקד החזית הבולגרי מינה את איוון לוקוב איש סודו למפקד הארמייה השנייה. בין אנשי הצבא הבולגרים לגרמנים שררה מערכת יחסים עכורה, בעיקר ב"קבוצת שולץ" וזאת בשל חוסר האיזון בין מספר הקצינים הגרמנים לקצינים הבולגרים אשר פיקדו על האוגדות הבולגריות והיחס המתנשא של הפיקוד הגרמני, והדבר הוביל לפגיעה ברוח הלחימה של הבולגרים.
החזית המקדונית עברה שינוי מהותי בשלהי 1917, כאשר צבאות מדינות ההסכמה חוזקו ב-21 אוגדות נוספות: 6 צרפתיות, 6 סרביות, 7 בריטיות, איטלקית אחת וכן שתי חטיבות רוסיות. בתחילת 1918 הצטרף לכוחות הלוחמים הצבא היווני אשר עבר ארגון מחדש, בכוח של 3 אוגדות. בשלב זה של הקרבות נפלה עיקר המעמסה על הכוחות הסרביים והצרפתיים, אך בקרב סקרה שנערך בסוף מאי הובס הצבא הבולגרי בידי כוח יווני עדיף, וכך זכו היוונים לטבילת אש משמעותית ראשונה לצבאם המחודש. מפקד החזית החדש מטעם מדינות ההסכמה, הגנרל אדולף גיומא, החל בתכנונה של מתקפה כוללת שמטרתה הבקעת קווי החזית והכרעתה.
בעקבות התבוסה הבולגרית בקרב סקרה הודח מפקד הארמייה הבולגרית הראשונה דימיטר גשוב ובמקומו מונה סטפן נרזוב. בין פברואר לאוגוסט 1918 ערקו 2,200 חיילים בולגרים והחמירו בעיות המשמעת, וכתוצאה הועמדו לדין צבאי כ-40,000 חיילים וקצינים בולגרים, ובין 450 ל-2,500 חיילים הוצאו להורג.
החזית המקדונית נטתה לרעת הבולגרים. היקף האבדות שהלך ועלה, הקיפאון בחזית ללא כל הישגים טריטוריאליים, המשק הבולגרי שהחל לקרוס ושיתוף הפעולה עם אימפריה מוסלמית נגד "אחיהם" הנוצרים-אורתודוקסים ביוון, הביאו לאובדן מורל ואורך נשימה בקרב הצבא בחזית, שבא לידי ביטוי גם בבעיות משמעת ובעריקות. בנוסף, הסתמן הפסד גרמני במערכה הכוללת, מצב עניינים שעלול היה להותיר את הבולגרים ללא תמיכה של מעצמת-על. ההתנגדות מבית להמשך המלחמה גברה והיא הובלה על ידי מנהיג מפלגת האיכרים הכריזמטי אלכסנדר סטמבוליסקי שאף נכלא בעוון חתרנות. מהפכת אוקטובר שפרצה ברוסיה גרמה להתעוררות חתרנית קומוניסטית גם בבולגריה. בנוסף חלה הרעה נוספת ביחסים מול הקיסרות הגרמנית אשר גילתה יחס מתנשא אל מול אנשי הצבא והממשל הבולגרים.
מתקפת הווארדאר של מדינות ההסכמה והכרעת החזית המקדונית.
ביוני החליף לואי פראנשה ד'אספרה את אדולף גיומא בפיקוד על כוחות מדינות ההסכמה ועסק בהשלמת התוכנית למתקפה כוללת. בראשית ספטמבר חלה הגנרל ז'קוב ונאלץ לסיים את תפקידו ובמקומו מונה הגנרל גאורגי טודורוב למפקד החזית של הצבא הבולגרי. ב-14 בספטמבר 1918 פתחו כוחות מדינות ההסכמה בפיקודו של הגנרל ד'אספרה במתקפה לאורך עמק הווארדאר. המתקפה החלה בהפגזה ארטילרית כבדה מ-500 תותחים מגזרת ביטולה ועד נהר הווארדאר. בשל הפגזת ההסחה, סבר הגנרל פון שולץ שהמתקפה תתנהל באזור ביטולה וריכז את מרבית כוחותיו שם. כפועל יוצא מטעות זו נאלץ פון שולץ להורות על נסיגה רחבה של כוחותיו לאורך כל החזית המקדונית במטרה לייצב קו חדש.
הבריטים השתתפו ב-18 וב-19 בספטמבר בקרב דויראן השלישי אשר היה כישלון חרוץ עבורם. כוחותיהם נאלצו לתקוף בנחיתות טופוגרפית עמדות בולגריות מבוצרות היטב שניצבו כ-700 מטרים מעליהם, והם ספגו אבדות כבדות במיוחד. עדות הלוחמים מקרב זה אשר פורסמה שנים מאוחר יותר, מציינות "טבח מיותר וחסר כל הגיון" שהתרחש בקרב שהוגדר כאסון צבאי לבריטים.
הצרפתים והסרבים לחמו בתנאי קרקע נוחים יחסית לעומת הבריטים. למרות התנגדות עיקשת של הצבא הבולגרי, הם הצליחו בסיוע אסקדרוני פרשים בריטים לפרוץ את הקווים הבולגרים ולכבוש את קוסטורינו וסטרומיצה. בין 15 ל-21 בספטמבר 1918 נערך בפסגת דוברו פולה שבמקדוניה קרב מכריע שבו היו נתונות האוגדות הבולגריות השנייה והשלישית בנחיתות קשה לעומת גדודי הצבא הצרפתי והסרבי. הכוחות הצרפתיים הפעילו להביורים ועשו שמות בקרב החיילים הבולגרים. קרב דוברו פולה הסתיים בתבוסה קשה לבולגרים, החיילים נטשו את החזית, מרדו במלך פרדיננד הראשון ודרשו את הדחתו, תוך שהם נעים אל עבר הבירה סופיה ונבלמים. הובקעה פרצה ברוחב 25 קילומטרים בקו החזית המקדונית אשר לתוכה נעו במהירות הכוחות הסרבים והצרפתים, תוך שהם מתקרבים אל גבולות ממלכת בולגריה. עצמאות בולגריה הועמדה בסכנה וממשלתה נאלצה להורות למפקדי הצבא לבקש הפסקת אש.
מפקד הארמייה ה-2 הגנרל איוון לוקוב פנה למפקד הזירה מטעם מדינות ההסכמה הגנרל הצרפתי ד'אספרה בבקשה לשביתת נשק. לאחר משא ומתן קצר סוכמו תנאי שביתת הנשק של סלוניקי והיא נכנסה לתוקפה ב-29 בספטמבר 1918. קרב דוברו פולה נחרת בנרטיב הבולגרי כאחד מאסונותיה הגדולים ביותר של בולגריה.
תוצאות המלחמה והשפעותיה.
הכרזת הפסקת האש ב-29 בספטמבר 1918 סיימה את מלחמת העולם הראשונה בתבוסה בולגרית כואבת. במהלך המלחמה נהרגו בקרבות או נפטרו עקב מחלות 101,224 חיילים וכ-100,000 אזרחים בולגרים. משנוכח פרדיננד שעצמאות הממלכה בסכנה החליט לוותר על הכתר, או אולץ להתפטר וב-3 באוקטובר 1918 הפך בוריס השלישי למלכם של הבולגרים. הצעד הראשון שבו נקט היה כניעה רשמית למדינות ההסכמה.
ההיגיון שעמד מאחורי מדיניותן של מדינות ההסכמה מול יריבותיהן ממעצמות המרכז שלאחר המלחמה, היה הפגנת ניצחונן באופן מוחלט ודורסני וזאת על ידי הכתבת תנאי כניעה דרקוניים אשר ימנעו לתפישתן כל אפשרות נוספת לפתיחת מלחמה מצד יריבותיהן. במסגרת ועידת השלום בפריז ניסו המעצמות המנצחות לכפות על בולגריה תנאים שנחשבו בגדר השפלה לאומית במקרה הטוב ואסון לאומי במקרה הגרוע. ראש הממשלה המכהן תאודור תאודורוב סירב לחתום על תנאי ההסכם והתפטר ולראשות הממשלה התמנה מתנגדה החריף ביותר של המלחמה, אלכסנדר סטמבוליסקי.