Bulgaria chính thức tham gia phe Trục khi họ ký Hiệp ước Ba bên vào ngày 1 tháng 3 năm 1941, vào khoảng thời điểm người Đức xâm lược Hi Lạp và Nam Tư. Ngày 25 tháng 11 năm 1941, năm tháng sau khi Đức Quốc xã xâm lược Liên Xô, Bulgaria cũng tham gia Hiệp ước chống Quốc tế Cộng sản, chính thức tham chiến với Liên Xô. Tuy nhiên, do tình cảm tốt đẹp đối với Nga của người Bulgaria vẫn còn đáng kể, trong suốt thế chiến thứ hai chính phủ Bulgaria và bản thân vua Boris III đã cố tránh né việc tham gia trực tiếp vào cuộc chiến với Liên Xô, thậm chí họ còn không tuyên chiến với Liên Xô và duy trì quan hệ ngoại giao với nước này. Dù sao, việc quân đội Bulgaria chiếm đóng một phần Hy Lạp, Nam Tư và đàn áp phong trào khởi nghĩa ở đây đã giúp người Đức có thể rảnh rang tập trung vào cuộc chiến tranh Xô-Đức. Hải quân Bulgaria cũng có nhiều cuộc chạm súng nhỏ với hải quân Xô Viết, tỉ như ngày 6 tháng 12 năm 1941, đội thủy quân tuần tra Bulgaria đã đánh chìm một chiếc tàu ngầm Sh-204 của Liên Xô gần cảng Varna. Sau Trận Trân Châu Cảng, Đức Quốc xã cũng ép Bulgaria tuyên chiến với Anh và Hoa Kỳ - dù là trên danh nghĩa - vào ngày 13 tháng 12 năm 1941; điều này dẫn đến những cuộc oanh kích của không quân Anh-Mỹ vào lãnh thổ Bulgaria. Trong giai đoạn đầu của cuộc chiến, nước Đức Quốc xã và các đồng minh của nó chiếm thế thượng phong, bao vây Leningrad, đe dọa thủ đô Moskva và áp sát bờ Tây sông Volga. Tuy nhiên, sau các chiến thắng mang tính bước ngoặt của quân đội Liên Xô tại trận Stalingrad và trận Vòng cung Kursk, tình hình mặt trận Xô-Đức đã đảo ngược hoàn toàn. Từ tháng 7 năm 1943, quân đội Liên Xô đã liên tục phản công và đến năm 1944 về cơ bản đã giải phóng tuyệt đại bộ phận lãnh thổ Liên Xô, tiến vào lãnh thổ của Ba Lan và Rumani.