היחסים בין שתי המדינות מקורם במחצית הראשונה של המאה ה-20. בשנת 1935 הוקמה לראשונה נציגות דיפלומטית בולגרית בצ'ילה. ב-1 במאי 1943 ניתק נשיא צ'ילה חואן אנטוניו ריוס את היחסים עם ממשלת בולגריה, למרות העובדה שעד אותה העת לא הייתה נציגות דיפלומטית רשמית באותה מדינה. בסוף מלחמת העולם השנייה, האינטרסים הצ'יליאניים בבולגריה הושארו בידי ארצות הברית. ב-25 בפברואר 1965, שתי המדינות הסכימו לחדש את יחסיהן, כאשר השגריר הבולגרי טנטשה מטצ'קב הציג את תעודותיו בצ'ילה. בשנה שלאחר מכן הסמיכה ממשלת צ'ילה את השגריר ביוגוסלביה, מיגל סראנו פרננדס, כנציג אף לבולגריה. בשנת 1970 נחתם הסכם סחר בין צ'ילה לבולגריה. ב-3 בספטמבר 1973, לאחר ההפיכה בצ'ילה בשנת 1973, ניתקה בולגריה את היחסים הדיפלומטיים שלה עם צ'ילה, אם כי לא ביטלה את החוזים הדו-צדדיים שנחתמו בין שתי המדינות. עם חזרתה של הדמוקרטיה לצ'ילה ונפילת הסוציאליזם הבולגרי, ב-6 באפריל 1990, חתמו שתי המדינות על הסכם לחידוש היחסים הדיפלומטיים, לאחר מכן פתח משרד החוץ הבולגרי משלחת סחר בסנטיאגו דה צ'ילה, שהועלה מאוחר יותר למעמד השגרירות. אולם בשנת 2011, בולגריה החליטה לסגור את שגרירותה בצ'ילה מסיבות תקציביות.