החל מאוגוסט 1916, השתתפו חיילי הארמייה במערכה על רומניה. בתחילת המערכה מנתה הארמייה 5 אוגדות רגלים (האוגדות: ה-1 "סופיה", ה-4 "פרסלב", ה-5 "דנובה", ה-6 "וידין" ה-12 "אוחריד") ואוגדת פרשים אחת. תחת פיקודו של סטפן טושב תקפו חיילי הארמייה את הרומנים בגזרת דוברוג'ה תוך שהם מביסים את הרומנים בקרב טורטוקאיה ובהמשך כבשו את קונסטנצה. הגנרל טושב נקלע לעימותים עם מפקד הזירה מטעם מעצמות המרכז הגנרל אוגוסט פון מקנזן ובנובמבר 1916 בלחצו של מקנזן העביר אותו מפקד החזית של הצבא הבולגרי הגנרל ניקולה ז'קוב מתפקידו. למפקד הארמייה מונה הגנרל סטפן נרזוב. לאחר כיבוש דוברוג'ה צומצמו בהדרגה כוחות הארמייה השלישית והאוגדות נותבו לחזית המקדונית. ב-6 בנובמבר 1918, לאחר כניעת הבולגרים, פורקה הארמייה מנשקה וחייליה שוחררו.