8 сентября 1944 года войска 3-го Белорусского фронта начали Болгарскую наступательную операцию. Основной целью Болгарской операции, поставленной перед 3-м Украинским фронтом, было вывести Болгарию из войны и утвердить там власть нового правительства по главе с коммунистом Димитровым. При переходе на болгарскую территорию красноармейцы не встречали сопротивления, поскольку к тому моменту коммунисты и сторонники коммунистического Отечественного фронта уже имели в болгарских войсках подавляющее влияние. Население приветствовало советскую армию цветами и красными флагами.
Население Болгарии встречает красноармейцев цветами и хлебом-солью.
В ночь с 8 на 9 сентября коммунисты, болгарская армия и их сторонники совершили государственный переворот и свергли правительство, сформировав правительство Отечественного фронта во главе с Кимоном Георгиевым. В тот же день оно объявило войну Германии. Учитывая сложившуюся ситуацию, Ставка Верховного Главнокомандования, отдала директиву: — «с 22 часов 00 минут 9 сентября 1944 года боевые действия советских войск против Болгарии прекратить».
10 сентября 1944 года правительство Отечественного фронта объявило о расформировании полиции, жандармерии, роспуске фашистских организаций и создании народной милиции. Также было объявлено о создании Болгарской Народной армии, в состав которой были включены бойцы партизанских отрядов и боевых групп, активисты движения Сопротивления и 40 тысяч добровольцев. В общей сложности, до конца войны в новую армию были призваны 450 тысяч человек, из них 290 тысяч принимали участие в боевых действиях.
В то же время, часть прогермански настроенных солдат и офицеров, перешла на сторону Германии, и в сентябре 1944 года из них была сформирована Болгарская противотанковая бригада войск СС (1-я болгарская, численностью свыше 700 человек).
16 сентября 1944 года советские войска вступили в Софию. 19 сентября 1944 года правительство Отечественного фронта начало мобилизацию. 25 сентября 1944 года Болгария разорвала дипломатические отношения с Венгрией. 10 октября 1944 года Болгария завершила эвакуацию чиновников и сотрудников гражданской администрации с ранее занятой территории Греции, 11 октября 1944 года с территории Греции был начат вывод войск, который был завершён 25 октября 1944 года. 28 октября 1944 года в Москве было подписано перемирие между Болгарией и СССР.
В соответствии с соглашением, до конца войны СССР передал Болгарии вооружение для оснащения пяти пехотных дивизий: 30 тыс. винтовок, карабинов и автоматов; 2 тыс. станковых и ручных пулемётов; 300 противотанковых ружей, свыше 800 орудий и миномётов, а также боеприпасы и иное снаряжение и военное имущество. Кроме того, в качестве военных советников в Болгарскую народную армию были направлены 33 советских офицера.
Болгарские войска участвовали в боевых действиях против Германии на территории Югославии, Венгрии и Австрии, принимали участие в Белградской операции, совместно с подразделениями НОАЮ освободили город Куманово. Болгария оказала помощь в снабжении продовольствием советских войск и лечении раненых советских военнослужащих. В софийских авторемонтных мастерских ремонтировали автомобильную технику Советской Армии. Поддержка Болгарии, оказанная СССР, выразилась также в репатриации в Советский Союз советских военнопленных. По состоянию на 30 декабря 1944 года из Болгарии в СССР были репатриированы 629 советских военнопленных.