Trước thái độ thiếu dứt khoát của chính phủ Muraviev đối với Đức Quốc xã cũng như thiếu nghiêm túc trong việc tước vũ khí và trục xuất quân đội Đức tại Bulgaria, ngày 5 tháng 9 năm 1944, Liên Xô tuyên bố chiến tranh với Bulgraya. Tuy nhiên, đến ngày 8 tháng 9, Phương diện quân Ukraina 3 (Liên Xô) mới vượt biên giới tiến vào lãnh thổ nước này. Cuộc tiến công của quân đội Liên Xô diễn ra cực kỳ thuận lợi và không gặp phải sự chống cự đáng kể nào. Ở nhiều cửa khẩu trên biên giới với Romania, các đơn vị quân đội Bulgaria đã tự động mở toang cánh cửa cho quân đội Liên Xô tiến vào và quay súng chống lại phát xít Đức. Đường hành quân của Phương diện quân Ukraina 3 được đón tiếp bằng những đoàn dân chúng đông đảo cùng với rừng cờ đỏ và hoa. Trong khi đó, chính phủ Muraviev lâm vào khủng hoảng thật sự. Từ ngày 6 tháng 9, các hoạt động bãi công, đình công và biểu tình của công nhân cũng như các tầng lớp nhân dân diễn ra khắp nơi. Đầu tiên là bãi công của công nhân mỏ Pernik, sau đó là công nhân xe điện ở Sofia, rồi tổng đình công ở Plovdiv và Gabrovo. Tại Pleven và Sliven, người dân nổi dậy phá nhà lao, giải phóng vô số tù chính trị. Tại nhiều nơi, người biểu tình đã đánh nhau với cảnh sát, gây nhiều thương vong cho cả hai bên. Mật vụ Gestapo đã tiến hành ám sát một số người lãnh đạo biểu tình, nhưng điều này càng tăng thêm sự phẫn nộ trong dân chúng. Cuộc biểu tình và đình công ngày 6 tháng 9 ở Sofia đã châm ngòi cho cuộc Cách mạng tháng 9 năm 1944 ở Bulgaria[13]. Trước tình hình nguy kịch, ngày 7 tháng 9 chính phủ Muraviev tuyên bố hủy bỏ lệnh cấm các đảng phái, đặt tất cả các tổ chức phát xít ra ngoài vòng pháp luật, giải tán đội hiến binh của Đảng Quốc xã và giải tán quốc hội Bulgaria khóa 25.[6] Chính phủ Muraviev cũng tuyên bố tịch thu tất cả các tài sản của nhà nước, các công ty, doanh nghiệp, công dân Đức tại Bulgaria[14] và tuyên chiến với nước Đức Quốc xã[Gc 1]. Tuy nhiên, tất cả đã quá muộn để có thể cứu vãn cho nội các Muraviev.

G. M. Dimitrov, Tổng bí thư Đảng Công nhân Bulgaria (cộng sản), một trong những người lãnh đạo chủ chốt của cuộc khởi nghĩa ngày 9 tháng 9 năm 1944 tại Bulgaria

Trong khi đó, ngay trong ngày 5 tháng 9, Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Bulgaria tổ chức một cuộc họp khẩn cấp để bàn về kế hoạch tổng khởi nghĩa nhằm "lật đổ chính phủ phát xít (ám chỉ chính phủ Muraviev) và thiết lập một chính quyền dân chủ nhân dân của Mặt trận Tổ quốc." Cuộc khởi nghĩa dự tính sẽ do các lực lượng du kích của Mặt trận tiến hành và giờ khởi sự là đêm ngày 8 rạng ngày 9 tháng 9 năm 1944 tại thủ đô Sofia. Về đấu tranh chính trị, họ quyết định sẽ mở rộng cuộc bãi công và biểu tình ở Sofia ra tất cả các thành phố lớn ở Bulgaria trong đó, trọng điểm là các thành phố Plovdiv, Tyrnovo, Vidin, Pleven, Vrattsa, Khaskovo và Gorna-Dzhumaya. Về đấu tranh vũ trang, các liên đoàn du kích có nhiệm vụ chặn đánh tất cả các đơn vị Đức và Bulgaria kéo đến đàn áp biểu tình, đồng thời đánh chiếm các mục tiêu chính trị, quân sự và kinh tế quan trọng trong các thành phố gồm các tòa thị chính, doanh trại quân đội, nhà ga, bến tàu, các kho hàng, tước vũ khí của các đơn vị hiến binh Bulgaria. Hội nghị cũng chuẩn bị sẵn một nội các mới để thay thế nội các của Konstantin Muraviev. Do Georgy Dimitrov lúc này đang ở Liên Xô để chuẩn bị đàm phán với I. V. Stalin về việc Bulgaria sẽ cho quân đội Liên Xô mượn đường qua lãnh thổ Bulgaria để tấn công quân Đức ở Nam Tư và Tây Romania nên hội nghị cũng bầu ra Ban lãnh đạo trong nước của khởi nghĩa gồm Todor Zhivkov, Stanko Todorov, Vladimir Bonev, Ivan Bonev. Thiếu tướng Ivan Krystev Marinov, Bộ trưởng Bộ chiến tranh của chính phủ Muraviev, một người ngả theo phe cách mạng được giao phụ trách các vấn đề quân sự ở miền Nam Bulgaria dưới sự giám sát của Dimityr Ganev, Uỷ viên Bộ chính trị BRP(k). Tư lệnh Phương diện quân Ukraina 3, nguyên soái F. I. Tolbukhin, tư lệnh Tập đoàn quân 37, trung tướng M. N. Sharokhin, tư lệnh Tập đoàn quân 57, trung tướng N. A. Gagen đều được thông báo trước về kế hoạch các hoạt động khởi nghĩa và sẵn sàng phối hợp khi cần thiết.[15]

Đêm ngày 8 rạng ngày 9 tháng 9 năm 1944, lực lượng khởi nghĩa bắt đầu hành động. Tại Sofia, Liên đoàn 1 du kích Bulgaria do Dobry Terpeshev đã bí mật rời dãy núi Vitosa đột nhập vào thành phố từ nửa đêm. Rạng sáng ngày 9 tháng 9, quân khởi nghĩa và người dân Sofia đã đánh chiếm phủ thủ tướng, trụ sở Bộ Chiến tranh, trụ sở Bộ Nội vụ, Đài phát thanh, Bưu điện trung tâm, Nhà máy điện, Nhà ga trung tâm Sofia, Sở cảnh sát Sofia, doanh trại hiến binh khu vực Sofia và nhiều mục tiêu quan trọng khác. Thủ tướng Bulgaria Konstantin Muravyev, toàn bộ Chính phủ Bulgaria, nhiếp chính triều đình Bulgaria, những người đứng đầu lực lượng cảnh sát, hiến binh và một số đơn vị quân đội đều bị quân khởi nghĩa bắt giữ. 6 giờ 25 phút sáng ngày 9 tháng 9, K. S. Geogriev, Thủ tướng mới của Bulgaria lên đài phát thanh tuyên bố về việc chính phủ K. M. Muraviev chấm dứt hoạt động và việc thành lập chính phủ mới của Mặt trận Tổ quốc.

“	Với nhận thức đầy đủ về con đường đúng đắn cũng như sự thể hiện đầy đủ về ý chí của nhân dân, Mặt trận Tổ quốc trong thời điểm quyết định và tình hình khó khăn này sẽ đứng ra điều hành đất nước và cứu đất nước thoát khỏi sự diệt vong.	”
— K. S. Geogriev, [cần dẫn nguồn]

Sau đó, quốc hội Bulgaria bị giải tán. Mặt trận Tổ Quốc Bulgaria đã lập ra chính phủ mới với thành phần tham gia gồm Đảng Cộng sản Bulgaria, Đảng Công nhân Dân chủ Xã hội Bulgaria, Đảng Nông dân Bulgaria "Liên minh các điền chủ" và một số thành viên của phong trào nông dân Zveno. Cụ thể, chính phủ mới bao gồm các thành viên sau đây:[16]

K. S. Georgyev, Thủ tướng đầu tiên của nền Cộng hòa Bulgaria thứ ba

• Thủ tướng: Kimon Stoyanov Georgiev, (Đảng trung dung), nguyên thủ tướng Bulgaria 1934-1935
• Bộ trưởng không bộ: Dobry Terpeshev, (BRP (k)) và Nikola Petkov, (Liên minh các điền chủ)
• Bộ trưởng Bộ Ngoại giao và Tôn giáo: Petko Staynov, (Đảng trung dung)
• Bộ trưởng Bộ Nội vụ: Anton Yugov, (BRP (k))
• Bộ trưởng Bộ Giáo dục: Giáo sư Stancho Cholakov, (Đảng trung dung).
• Bộ trưởng Bộ Tư pháp: Tiến sĩ Mincho Neychev, (BRP (k))
• Bộ trưởng Bộ Tài chính: Petko Stoyanov (không đảng phái).
• Bộ trưởng Bộ Chiến tranh: Thượng tướng Damian Velchev (Đảng trung dung)
• Bộ trưởng Bộ Công thương và lao động: Dimitar Neykov (Đảng Dân chủ xã hội)
• Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và quản lý công sản: Asen Pavlov (Liên minh các điền chủ)
• Bộ trưởng Bộ Giao thông công chính: Boris Bumbarov (Liên minh các điền chủ)
• Bộ trưởng Bộ Đường sắt, bưu chính và điện báo: Angel Darzhanski (Liên minh các điền chủ)
• Bộ trưởng Bộ Y tế: Tiến sĩ Racho Angelov (BRP(k))
• Bộ trưởng Bộ Các vấn đề xã hội: Gregory Cheshmedjiev (Đảng Dân chủ xã hội).
• Bộ trưởng Bộ Tuyên truyền: Dimo Kazasov (không đảng phái).
• Tổng tư lệnh quân đội: Thiếu tướng Ivan Krastev Marinov (không đảng phái).

Ngoài ra còn có ba thành viên không phải là Bộ trưởng được tham gia nội các theo một sắc lệnh của Hoàng tử Kiril gồm Giáo sư Dimitri Ganev (cựu thành viên của Đảng Cấp tiến) Tsvyatko Boboshevski (Đảng Nhân dân) và Todor Pavlov (BRP(k)).[16]

Ngày 10 tháng 9, chính phủ mới giải tán bộ máy cảnh sát và hiến binh của chế độ cũ, thay thế cho họ là lực lượng dân vệ (militsiya) được tuyển lựa từ các liên đoàn du kích. Các trại tập trung tại Gonda, Enikyoy, Lebane và một số tỉnh khác cũng bị giải thể. 8.130 tù chính trị được giải phóng khỏi các nhà lao. Các tổ chức phát xít trong nước cũng bị thanh trừng.[1][17]

Ở các nơi khác, trong thời gian trước và sau ngày 8 tháng 9, các lực lượng du kích Bulagrya và nhân dân địa phương cũng tiến hành khởi nghĩa, lật đổ các tổ chức, cơ quan chính quyền thân phát xít và phối hợp với quân đội Liên Xô chống lại quân Đức. Ngày 7 tháng 9, Liên đoàn 9 hoạt động tại tỉnh Shumen đã đánh chiếm thành phố Shumen và các thị trấn Tyrgovitse, Popvo. Ngày 8 tháng 9, Liên đoàn 10 hoạt động tại khu vực thành phố Varna đã phối hợp với Sư đoàn đổ bộ đường không 10 (Liên Xô), Lữ đoàn cơ giới cận vệ 15 thuộc Quân đoàn cơ giới cận vệ 4 và Hải quân đánh bộ của Hạm đội Biển Đen đánh chiếm thành phố cảng Varna, gọi hàng hơn 800 sĩ quan và bình sĩ Hải quân Bulgaria trên 12 hạm tàu của hải quân Bulgaria đang neo đậu tại cảng này.[18] Trong cùng ngày đó, Liên đoàn 8 hoạt động tại tỉnh Gorno-Oryakhovski đã đánh chiếm thành phố Gorno-Oryakhovski, nhà ga đầu mối Tyrnovo và các thị trấn Gabrovo, Dryanovo, Elena, Sevlyevo, cắt đứt tuyến đường sắt từ Varna đi Sofia, bắt giữ nhiều đoàn tàu chở hàng hóa quân sự Đức đang từ Varna đi Sofia và Nam Tư tại các nhà ga Tyrnovo và Gorno-Oryakhovski. Phối hợp với Liên đoàn 8, Liên đoàn 11 hoạt động tại tỉnh Pleven cũng đánh chiếm thành phố Pleven và các thị trấn Pavlikeni, Lovech và Lukovitsa.

Ngày 9 tháng 9, Tập đoàn quân 37, hải quân đánh bộ của Hạm đội Biển Đen và quân của Liên đoàn du kích 6 hoạt động tại khu vực Yambol cùng tiến vào giải phóng thành phố cảng Burgas. Trong khi dân cư địa phương đem nho và táo ra thết đãi và tặng hoa các du kích quân Bulgaria cùng các chiến binh Liên Xô thì hải quân Đức đã cho nổ mìn đánh chìm các tàu chiến Đức đang neo đậu tai cảng. Các thủy binh Đức theo đường rừng bỏ trốn sang phía Tây nhưng chỉ đến Yambol, họ đã bị các chi đội du kích "Tổ quốc trên hết" và "Pyotr Momchilov" phối hợp với Lữ đoàn cơ giới cận vệ 13 (Quân đoàn cơ giới cận vệ 4) bao vây và bắt sống. Số tàn quân còn lại chạy về Staro-Zagorsk cũng bị Liên đoàn 5 du kích Bulgaria tóm gọn.[11] Ở miền Nam Bulgaria, từ ngày 6 đến ngày 11 tháng 9, thực hiện Chỉ thị ngày 26 tháng 8 của Mặt trận Tổ quốc Bulgaria về Tổng khởi nghĩa, Liên đoàn 2 hoạt động tại thành phố Plovdiv, Liên đoàn 7 hoạt động tại tỉnh Khashkovo và Liên đoàn 4 hoạt động tại tỉnh Gorno-Dzhymaska cũng thực hiện nhiều trận tấn công vào các đơn vị quân Đức và quân chính phủ Bulgaria, đánh chiếm các thành phố Plovdiv, Gorno-Dzhymaska, Khashkovo, giải phóng hơn 30 khu dân cư.[19]

Ở nhiều khu vực, cuộc khởi nghĩa diễn ra thuận lợi và không gặp sự chống cự của chính quyền cũ, tuy nhiên ở nhiều nơi khác thì tình hình lại diễn biến rất ác liệt. Ngày 7 tháng 9, Hơn 2.000 công nhân đường sắt và thợ mỏ ở Pernik, cách Sofia 30 km về phía Tây đã đình công. chính quyền thân Đức tại đây đã điều đội hiến binh đến đàn áp, bắn chết 6 công nhân và làm bị thương 13 người. Ngày 8 tháng 9, Liên đoàn 1 du kích Bulgaria đã điều Lữ đoàn 4 mang tên "Cách mạng Sofia" đến yểm hộ cho những người khởi nghĩa, nhanh chóng tiêu diệt Tiểu đoàn hiến binh 3 Sofia. Tại Plovdiv và Gabrovo, những người biểu tình và quân du kích của các liên đoàn 2 và 8 đã đánh chiếm tòa thị chính, sở điện báo, nhà ga. Tại các tỉnh Pleven, Varna, Sliven, quân của các liên đoàn du kích 10 và 11 đã phá vỡ các nhà tù, giải thoát hàng nghìn tù nhân. Cuộc khởi nghĩa tại Haskovo đã biến thành một cuộc đụng độ vũ trang nghiêm trọng. Viên chỉ huy Trung đoàn pháo binh 2 Bulgaria đã chỉ huy quân của mình dùng vũ khí chống lại Liên đoàn 7 du kích Bulgaria. Đến ngày 12 tháng 9, Liên đoàn 7 với sự trợ giúp của Lữ đoàn "Georgi Dimitrov" số 2 thuộc Liên đoàn 5 mới chiếm được pháo đài Haskovo. 7 sĩ quan pháo binh Bulgaria chỉ huy trung đoàn này đã bị xử bắn. Haskovo là khu vực cuối cùng lọt vào quyền kiểm soát của nghĩa quân.[1]

Đến đây, về cơ bản quân khởi nghĩa đã làm chủ được hoàn toàn đất nước, tuy nhiên tàn tích của các tổ chức phát xít Bulgaria vẫn còn đó và an ninh trong đất nước Bulgaria vẫn chưa được bảo đảm. Trong tháng 9 năm 1944, một bộ phận quân đội Bulgaria đã chạy theo phát xít Đức khỏi đất nước và nhóm này được tổ chức thành Trung đoàn bộ binh xung kích Waffen SS Bulagria số 1 với quân số hơn 700 người. Trong nước, các tổ chức phát xít tiếp tục tổ chức nhiều hoạt động khủng bố, ám sát, phá hoại; trong khi lực lượng an ninh Bulgaria do còn chưa thiết lập hoàn chỉnh nên xử lý các sự vụ này có phần lúng túng. Tư lệnh Phương diện quân Ukraina 3, Nguyên soái F. I. Tolbukhin đã phải cử Cục trưởng cục an ninh tình báo của Phương diện quân Ivan Vinarov và tham mưu trưởng S. S. Biryuzov đến Sofia để trực tiếp nắm tình hình. Không lâu sau đó, Bộ Tổng tham mưu quân đội Liên Xô gửi điện hỏa tốc tới phương diện quân yêu cầu khẩn cấp truy bắt các tùy viên quân sự cùng toàn bộ đoàn ngoại giao Đức Quốc xã tại Bulgaria (lúc này đã bỏ trốn) vì có rất nhiều khả năng người Đức vẫn đang dùng bộ máy đó để chỉ đạo các hoạt động phá hoại ngầm ở Bulgaria.[20] Cuối vùng, sau một ngày truy lùng ráo riết, 15 giờ chiều ngày 15 tháng 9 toàn bộ phái đoàn Đức cùng các nhân viên ngoại giao của chính phủ Mussolini bị tóm gọn tại nhà ga Rakovsky.[21] Sau vụ bắt giữ này, bộ máy gián điệp và phá hoại ngầm của quân Đức ở Bulgaria lần lượt bị bóc gỡ. Ngày 26 tháng 9, sau khi tình hình đã được ổn định Đại bản doanh Bộ Tổng Tư lệnh tối cáo (STAVKA) gửi điện cho tư lệnh Phương diện quân Ukraina 3 yêu cầu ngưng hết tất cả các vụ bắt bớ ở Bulgaria.[22]