К 25 октября болгарские войска нанесли поражение основным силам турецкой Восточной армии у Лозенграда. Греческая Фессалийская армия тем временем сбила слабые турецкие заслоны у горного перевала Сарандапоро, а 1-я сербская армия нанесла поражение турецкой Вардарской армии в районе Куманово. К 3 ноября Фессалийская армия разбила турецкие силы под Энидже Вардаром и открыла путь к Салоникам, а 1-я и 2-я болгарские армии нанесли тяжелое поражение турецкой Восточной армии на реке Карагачдере. Во время этого сражения 29 октября впервые в истории болгарский летчик Радул Милков и наблюдатель Продан Таракчиев проводят разведку и бомбардировку с воздуха неприятельских позиций.
6 ноября основные турецкие силы были оттеснены на Чаталджинские оборонительные позиции перед Стамбулом. Преодолеть их с ходу болгарские войска не смогли. Завязались упорные бои.
В ночь с 8 на 9 ноября капитулировал турецкий гарнизон в Салониках. В город вступили греческие и болгарские войска. Три дня спустя Турция обратилась к Болгарии, а через нее и к остальным союзникам с просьбой о заключении перемирия и предварительного мирного договора. Болгария эту просьбу не приняла. Правительство в Софии надеялось, что болгарская армия прорвет Чаталджинские позиции и овладеет Константинополем (Стамбулом). Однако атака этих укреплений, предпринятая 17–18 ноября, окончилась неудачей. Более успешно для болгар развивались боевые действия в Эгейской Фракии, где их 2-я македонско-одринская бригада 19 ноября овладела городом Дедеагач.
20 и 21 ноября произошли наиболее крупные бои на море. Четыре болгарских тральщика в Черном море атаковали турецкий крейсер «Хамидие» и поразили его несколькими торпедами, нанеся серьезные повреждения. Крейсер, однако, остался на плаву и смог добраться до Стамбула.
27 ноября болгарским войскам удалось захватить в плен турецкий корпус Явер-паши в районе Дедеагача. Было взято более 9 тысяч пленных, 8 орудий и 2 пулемета. После этого поражения 3 декабря был подписан протокол о временном перемирии. 16 декабря в Лондоне начались переговоры Турции с государствами Балканского союза и открылась конференция послов великих держав. Но уже через три дня после начала мирной конференции болгарское командование приняло решение о подготовке штурма Эдирне (Адрианополя).
Тем временем в Турции 23 января 1913 года произошел государственный переворот. К власти пришли турецкие националисты – младотурки во главе с Джемаль-пашой, Энвер-пашой и Талаат-пашой. 29 января они прервали мирные переговоры. Военные действия возобновились.
Турецкие войска смогли к 13 февраля отбросить 1-ю и 3-ю болгарские армии от Чаталджинских позиций. Сербские и черногорские войска предприняли неудачный штурм Шкодера.
5 марта греки в Эпире овладели турецкой крепостью Янина. 24 марта болгарские войска перешли в наступление и через пять дней вновь оттеснили турок к Чаталджинским укреплениям. 26 марта 2-я болгарская армия овладела Эдирне и захватила в плен 60-тысячный гарнизон во главе с Шукри-пашой и 524 орудия. Болгарские потери при этом были невелики: 1316 убитых, 451 пропавший без вести и 6329 раненых.
14 апреля 1913 года в Лондоне начались переговоры о мире и было подписано соглашение о прекращении боевых действий. 9 мая европейские великие державы навязали Болгарии протокол, согласно которому она вынуждена была уступить Румынии город Силистра в Добрудже в качестве компенсации за благожелательный нейтралитет в войне с Турцией. 30 мая государства Балканского союза подписали с Турцией Лондонский мирный договор, согласно которому Оттоманская империя лишилась Македонии, большей части Фракии и Албании, которая получила независимость (небольшая часть ее территории отошла к Черногории, а обширный Косовский край – к Сербии). Но разделить добычу победители не смогли, и это привело ко Второй Балканской войне.
Еще до подписания Лондонского мира, в конце февраля 1913 года начались столкновения между болгарскими и греческими войсками в Западной Македонии. Болгарское командование начало концентрацию войск в Македонии на случай, если придется воевать с бывшими союзниками. Одновременно Сербия и Греция вступили в переговоры с Румынией о возможном союзе против Болгарии.