Дальнейшее обострение внутриполитического кризиса, возникшего в связи с выходом Красной Армии к границам страны, привело к отставке правительства Багрянова и сформированию 2 сентября нового правительства во главе с К. Муравиевым — одним из правых лидеров Болгарского земледельческого народного союза. Новое правительство, просуществовавшее всего семь дней, денонсировало Тройственный пакт, заявило об эвакуации болгарских экспедиционных войск из оккупированных районов Греции и Югославии, а также о намерении ускорить переговоры с Англией и США о заключении перемирия, освободило всех политических заключенных и военнопленных союзников, распустило политическую полицию. О разрыве отношений с Германией было сказано, что он будет осуществлен, если немецкие войска в Болгарии откажутся разоружиться.
Правительство СССР сочло это недостаточным и 5 сентября объявило Болгарии войну. С объявлением Советским Союзом войны Болгарии США и Англия были вынуждены прекратить политические переговоры с ее представителями. 6 сентября болгарской делегации в Каире было сообщено, что в дальнейшем они могут вестись лишь при участии СССР.
«Объявление Советским Союзом войны фашистскому правительству Болгарии не наносило никакого ущерба интересам болгарского народа. Наоборот, оно являлось решающим условием его освобождения». Вот только болгарскому правительству в течение пяти лет удавалось избавлять свой народ от участия во всемирной бойне, теперь ему придется взяться за оружие.
Приближение Красной Армии позволило болгарским коммунистам перейти к непосредственной подготовке вооруженного восстания. 2 сентября ЦК БРП принял решение поднять народ на борьбу за свержение правительства и установление власти Отечественного фронта. По решению софийского окружного комитета было создано оперативное бюро по вооруженной охране стачек и демонстраций, предусматривавшихся планом восстания в столице. Главный удар планировалось нанести по Военному министерству сводным отрядом и перешедшими на сторону Отечественного фронта воинскими частями. К началу восстания в стране действовало 11 партизанских бригад и 38 отрядов обшей численностью 18 тысяч человек, а вместе с членами боевых групп — до 30 тысяч человек.
Основные силы 3-го Украинского фронта к началу сентября 1944 года заняли румыно-болгарскую границу на участке от Джурджу до Мангалии. Войска 2-го Украинского фронта, преследуя отходящего противника, 6 сентября вышли на румыно-югославскую границу в районе Турну-Северина и изолировали от Болгарии те немецкие соединения, которые вели бои в Восточных Карпатах и Трансильвании.
Стратегическая обстановка на южном крыле советско-германского фронта позволяла штабу Толбухина в короткие сроки подготовить и осуществить операцию по занятию Болгарии. С разгромом группы армий «Южная Украина» оборона противника в Румынии развалилась, а германские войска, действовавшие в Югославии, Албании и Греции, оказались изолированными от карпатско-трансильванской группировки, оборонявшейся в северо-западной части Румынии и в Венгрии.
Болгария имела армию общей численностью 450 тысяч человек. Она состояла из пяти общевойсковых армий и двух экспедиционных корпусов — всего 22 дивизии и 7 бригад. Девять дивизий и две кавалерийские бригады находились на оккупационной службе в Югославии и Греции. Когда начался их отвод в Болгарию, немецкие войска напали на них и разоружили некоторые части. Управление ими было утрачено. Большинство остальных соединений дислоцировалось южнее Балканского хребта. В северо-восточной части страны, где разворачивались действия 3-го Украинского фронта, стояло 4 дивизии. В черноморских портах Варна, Бургас и в дунайском порту Русе (Рущук) находились немецкие и болгарские корабли. Общая численность немецких войск в Болгарии, с учетом частей, отошедших из Румынии, в конце августа оценивалась в 30 тысяч человек.
Германское командование стремилось сохранить свои позиции в Болгарии. Оно руководствовалось указаниями Гитлера, который 31 июля 1944 года в разговоре с генералом Йодлем сказал, что «без Болгарии мы практически совершенно не в состоянии обеспечить спокойствие на Балканах». В конце августа немецкий посол в Болгарии А. Бекерле заявил регентам, что германские войска в ближайшее время не намерены оставлять Болгарию. Руководство рейха вынашивало планы организации государственного переворота в Болгарии и прихода к власти в качестве главы правительства лидера болгарских фашистов А. Цанкова, намеревалось перебросить в Болгарию немецкие войскаиз Югославии.
5 сентября, в день объявления войны Болгарии, советская Ставка утвердила план Болгарской операции, разработанный Военным советом 3-го Украинского фронта при участии представителя Ставки маршала Жукова. В ходе ее войска Толбухина должны были выйти на рубеж Джурджу, Карнобат, Бургас, овладеть портами Варна и Бургас, захватить флот противника и освободить приморскую часть Болгарии. Их продвижение планировалось на глубину до 210 км.