Седьмого сентября болгарское правительство официально заявило о разрыве с Германией, а 8 сентября объявило ей войну. В эти же дни в стране назревали революционные события. Отечественный фронт, созданный под руководством Компартии Болгарии еще в 1942 году, готовил вооруженное восстание с целью свергнуть монархо-фашистский режим в стране и провозгласить народно-демократическую республику. В связи со складывавшейся обстановкой Советское правительство решило ввести войска 3-го Украинского фронта в восточные районы Болгарии, до рубежа Джурджу, Розград, Шумея, Дылгопол, северный берег реки Каменя.
Восьмого сентября советские войска вступили в Болгарию. Население встречало их восторженно. Ни одного выстрела не раздалось со стороны болгарских воинов. Девятого сентября в Болгарии началось антифашистское народное восстание, закончившееся победой Отечественного фронта, который образовал новое народное правительство. Оно обратилось с просьбой к правительству СССР, чтобы советское командование взяло на себя организацию взаимодействия болгарских войск с войсками 3-го Украинского фронта.
Директивой от 13 сентября Ставка предписывала Маршалу Советского Союза Толбухину:
«Для руководства действиями наших войск, включая авиацию, и для организации взаимодействия с болгарскими войсками через Генеральный штаб Болгарии направить в Софию генерал-полковника Бирюзова в качестве своего заместителя».
Бирюзов прибыл в Софию самолетом 14 сентября. К этому времени в болгарской столице уже находилось несколько соединений Советской Армии, направленных туда по просьбе нового болгарского правительства.
Для защиты Софии с воздуха использовались как болгарские, так и советские части ПВО. Здесь же находился командующий 17-й воздушной армией В. А. Судец. Первые же дни переговоров с представителями военного министерства Болгарии показали, что военный министр Велчев был против того, чтобы болгарские войска действовали вместе с Советской Армией против вермахта, тогда как главнокомандующий армии генерал Маринов ратовал за быстрейшее участие болгарской армии в войне с Германией. Этого же хотело подавляющее большинство народа и правительство Отечественного фронта.
С первой встречи Велчев стал утверждать, что болгарские войска не способны вести боевые действия, тем более наступательные. Бирюзов сразу понял, откуда дует ветер. Это была линия Черчилля, жаждавшего видеть Болгарию среди побежденных, а не победителей. Видимо, в этом он усматривал возможность сохранить в Болгарии буржуазный строй и задержать там развитие революции.
Однако происки внутренней и внешней реакции оказались тщетными. Правительство Отечественного фронта делало все для быстрейшей отправки болгарских войск на фронт. А сами войска, не дожидаясь конца переговоров, уже взаимодействовали с частями 3-го Украинского фронта, храбро сражаясь против фашистов: патриотический порыв болгарского народа ломал все формальности. Бирюзов с головой окунулся в свои новые обязанности, надо было в кратчайший срок сделать все возможное, чтобы болгарская армия смогла принять участие в предстоявшем крупном наступлении, имевшем целью освобождение братской Югославии. Кроме того, надо было вести переговоры, разбирать и решать огромное количество вопросов, непрерывно возникавших в трудной обстановке, сложившейся тогда в Болгарии. А тут еще приходилось выполнять различные непредвиденные задания. С классовыми единомышленниками и коммунистами Болгарии у сопровождавшей его группы полное понимание установилось быстро и прочно. Но в тогдашней Болгарии хватало и врагов — явных и тайных.
Восемнадцатого сентября раздался звонок из Москвы: требовалось установить местонахождение германского посольства и военной миссии в Болгарии и интернировать их. Где были фашистские дипломаты, Бирюзов не знал: чьи-то руки заботливо обеспечили побег гитлеровцев. Попытки навезти справки в Софии положительного результата не дали. Бирюзов, посоветовавшись с Судецом, решил искать, тем более что Москва настойчиво повторяла свое требование. Прикинув, куда могли двинуться гитлеровские дипломаты, выслали в направлении турецкой границы легкие бомбардировщики с десантами автоматчиков на борту. Томительно потянулись часы ожидания. Наконец поступил доклад: два эшелона с немцами обнаружены в районе станции Раковская. Пять самолетов приземлились в 300-400 метрах от эшелонов, так чтобы последние оказались под прицелом крупнокалиберных пулеметов. Тут же из открывшихся люков выпрыгнули автоматчики, а над эшелонами забарражировали истребители, готовые открыть огонь в любой момент. Находившиеся в вагонах гитлеровцы были арестованы, другая их часть, заранее выехавшая на автомобилях к греческой границе, была захвачена преследовавшими их советскими воинами.