8 lutego 1941, za zgodą rządu bułgarskiego, do Bułgarii wkroczyły niemieckie jednostki, a 1 marca państwo dołączyło do Państw Osi. Niemieckie jednostki posiadające 414 samolotów wykorzystały lotniska bułgarskie do inwazji na Jugosławię i Grecję. W zamian miano otrzymać terytoria utracone na rzecz Macedonii w I wojnie światowej. Po zakończeniu kampanii w Jugosławii wojska niemieckie przekazały zdobyczne Do 17Ka dla lotnictwa bułgarskiego.
W 1941 roku Bułgarskie Siły Powietrzne dysponowały 561 samolotami. 22 czerwca 1941 roku rozpoczęła się Operacja Barbarossa. Bułgaria jednak pozostała neutralna z powodu przyjaznych stosunków z ZSRR. Na prośbę niemiecką skoncentrowano się na osłonie rejonu Morza Czarnego. Wykonano w tym celu 173 loty. Podczas pięciu napotkano okręty podwodne, a 15 października 1941 prawdopodobnie zatopiono jeden okręt – M-58. 13 grudnia 1941 roku wypowiedziano wojnę Stanom Zjednoczonym i Wielkiej Brytanii, a wojska bułgarskie rozpoczęły okupację Serbii w zastępstwie wojsk niemieckich. W 1941 roku wykonano 42 215 lotów trwających 42 215 godzin.