5 мая Афины и Белград заключили союз против Софии. 8 мая Румыния предложила заключить аналогичный союз Турции. Бывшие союзники, равно как и противник – Турция опасались, что Болгария, обладавшая самой сильной армией, установит свою гегемонию на Балканах, захватив почти всю Македонию и Фракию. Сербия рассчитывала получить выход к морю, присоединив значительную часть албанской территории. Однако этому воспротивилась Австро-Венгрия, опасаясь усиления Сербского государства и его влияния на юго-славянское население Дунайской монархии. Тогда Белград потребовал компенсации за счет болгарской части Македонии. В Софии, сознавая неизбежность нового военного столкновения, 25 мая объявили дополнительную мобилизацию. Через пять дней дополнительная мобилизация началась в Греции и Сербии. 4 июня Сербия и Греция заключили военно-политический союз против Болгарии, а 6 июня предложили Турции присоединиться к ним. Сербские, болгарские и греческие войска подтягивались к границам.
8 июня русский император Николай II предупредил Белград и Софию, что тот, кто первым начнет боевые действия, подвергнется политическим санкциям. Тем временем Черногория 11 июня провела повторную мобилизацию армии, демобилизованной после Первой Балканской войны. Болгария настаивала на проведении Россией и другими великими державами скорейшего арбитража по македонскому вопросу для разрешения сербско-болгарских территориальных споров. Российская дипломатия всячески затягивала решение этого вопроса, так как не хотела ссориться с Сербией, которая в тот момент из всех балканских государств была наиболее тесно связана с Россией.
22 июня Болгария предъявила России ультиматум: провести арбитраж в семидневный срок, угрожая в противном случае начать войну против Сербии и Греции. 27 июня Румыния предупредила Болгарию, что начало военных действий против Сербии будет означать румыно-болгарскую войну. Но 29 июня болгарская армия вторглась за линии контроля сербских и греческих войск в Македонии. Главный удар наносила 2-я болгарская армия, которая должна была овладеть Салониками. В это время более мощная 4-я армия наступала в направлении реки Злетовска и города Криволак. План болгарского командования заключался в том, чтобы как можно скорее вывести из войны Грецию, а затем все силы обрушить на Сербию, чтобы справиться с ней раньше, чем румынская армия успеет завершить мобилизацию и перейти в наступление. В это время сербские войска, находившиеся в Македонии, могли быть отрезаны от Сербии. Однако наступление на этом направлении болгары начали недостаточными силами и очень быстро свернули его, когда 2 июля греческие войска перешли в контрнаступление и стали теснить 2-ю и 4-ю болгарские армии.
К 10 июля болгарские части, действовавшие против Сербии, отошли к старой сербско-болгарской границе. 12 июля войну против Болгарии начала Турция. К 23 июля турецкие войска вытеснили болгар из Восточной Фракии и вновь овладели Эдирне. Положение болгар стало безнадежным после того, как 14 июля румынская армия начала вторжение в северную Болгарию и, почти не встречая сопротивления, двинулась на Софию и Варну. Правда, в тот же день болгарские войска начали успешное контрнаступление против греческой армии и к 30 июля 40-тысячная группировка греков в районе Кресненского ущелья в Родопах, обойденная с флангов, оказалась в полуокружении. Однако для ее ликвидации уже не было ни времени, ни сил.
Противники Болгарии обладали 4-кратным перевесом в пехоте и имели в 1,6 раза больше артиллерии и в 2,5 раза больше кавалерии. Продолжать борьбу было бессмысленно. 30 июля 1913 года болгарское правительство приняло предложение греческого короля Константина о заключении перемирия, которое в тот же день было подписано в Бухаресте. 31 июля боевые действия прекратились. 10 августа 1913 года был подписан Бухарестский мирный договор между Болгарией и Румынией, Сербией, Грецией и Черногорией. Большая часть Македонии отошла Сербии и Греции. Греция получила и часть Западной Фракии. Болгария сохранила лишь небольшой юго-восточный район Пиринской Македонии в районе Петрича и часть Западной Фракии с портом Дедеагач на Эгейском море. Румынии отошла болгарская южная Добруджа с городами Туртукай и Балчик. 29 сентября 1913 года Болгария и Турция заключили Константинопольский мирный договор, по которому болгары возвращали туркам основную часть Восточной Фракии с Эдирне и сохраняли за собой только небольшой район с городом Малко Тырново.