עם פרוץ מלחמת העולם השנייה הכריזה ממלכת בולגריה על נייטרליות, אך בהמשך הצטרפה להסכם התלת-צדדי ובתמורה קיבלה לחזקתה את חבלי תראקיה היוונית, ומקדוניה הווארדארית. צעד זה העלה מאוד את הפופולריות של בוריס השלישי בקרב ההמונים. בוריס השלישי, אשר חשש לחזור על טעויותיו של אביו, סירב לצרף את הצבא הבולגרי לקרבות החזית המזרחית ולהכריז מלחמה על ברית המועצות.
החל משלהי שנות ה-30, ובמקביל לחיזוק הקשרים עם גרמניה הנאצית, אימצה בולגריה מדיניות אנטי-יהודית. בספטמבר 1939 גורשו 4,022 מיהודי בולגריה, שהוגדרו "נתינים זרים", במסגרת "המסע לגירוש נתינים זרים". בהמשך חוקק בבולגריה החוק להגנת האומה ובמסגרתו נשלחו 9,000 גברים יהודים בגילאי 40-20 לעבודות כפייה. במרץ 1943 גירשו הבולגרים בצו שאישר בוריס השלישי את 11,343 יהודי תראקיה, מקדוניה והעיר פירוט אל מותם במחנה ההשמדהטרבלינקה. במקביל, נכשל ניסיון גירושם לטרבלינקה של לפחות 6,365 מיהודי בולגריה "הישנה".
ב-28 באוגוסט 1943 מת בוריס השלישי מהתקף לב לאחר ששב לבולגריה מפגישה קשה ומתוחה עם היטלר. סביב נסיבות מותו רווחו תאוריות קשר רבות שלא הוכחו. מותו סימן את קץ ימיה של ממלכת בולגריה.