В тот же день побывал в 37-й армии у Шарохина, уточнил с ним обстановку, информировал командарма о делах соседей. Вернулся в штаб и уснул прямо за столом. Разбудил его голос Левитана; «Войска 3-го Украинского фронта... 24 августа штурмом овладели столицей Молдавской ССР городом Кишиневом...» Это было приятное пробуждение... И вновь калейдоскоп событий: поездки в войска, уточнение вопросов взаимодействия, информация соседей, доклады командованию...
27 августа, находясь опять на КП 4-го мехкорпуса, Бирюзов попал в сложную переделку. Пока он и командир корпуса генерал В. И. Жданов работали над картой, к командному пункту прорвалась крупная немецкая часть, пытавшаяся вырваться из окружения. Личный состав штаба корпуса завязал бой с противником. Неизвестно, чем бы он кончился, но к штабу подоспел самоходный артиллерийский полк, решивший исход дела. Гитлеровцы были уничтожены. А уже через несколько часов Бирюзов был в 57-й армии у генерала П. А. Гагина. Вечером того же дня стало известно, что войска фронта и Дунайской флотилии овладели всеми приречными узлами сопротивления противника от устья Дуная до Галаца. Бирюзов вздохнул с облегчением: 3-й Украинский фронт с честью выполнил свою задачу в Ясско-Кишиневской операции.
В начале сентября войска 3-го Украинского фронта неудержимо двигались к границам Болгарии. Правительство царской Болгарии, которое формально поддерживало в течение всей войны нейтралитет с СССР, но на деле вопреки воле своего народа тесно сотрудничало с гитлеровцами, и в эти дни продолжало оказывать им помощь. Территория и транспорт Болгарии использовались немецко-фашистской армией, болгарские войска несли оккупационную службу в Югославии и Греции, что позволяло гитлеровскому командованию высвободить свои силы для действий на советско-германском фронте. Пособники «третьего рейха» в Болгарии жестоко расправлялись с партизанами и другими патриотами. Через Болгарию на румынскую территорию проходили немецко-фашистские войска, направлявшиеся на подкрепление разбитых гитлеровских дивизий.
26 августа Болгарская рабочая партия приняла решение о непосредственной подготовке вооруженного восстания болгарского народа. ЦК БРП обязал коммунистов поднять все антифашистские силы на смелую и решительную борьбу за изгнание гитлеровских войск, свержение фашистских министров, установление народно-демократической власти.
30 августа Советское правительство направило ноту правительству Болгарии, в которой предлагалось немедленно прекратить пропуск через Болгарию немецких войск. Однако болгарские власти лишь делали вид, что порывают с фашистской Германией, на деле все оставалось по-прежнему: тысячи гитлеровских солдат укрывались в стране, в портах Болгарии базировались немецкие корабли, угрожая советскому судоходству на Черном море. Пятого сентября Советское правительство направило повторную ноту, в которой осуждало политику, проводимую болгарскими властями, и указывало на то, что «Болгария теперь имеет полную возможность, не опасаясь Германии, порвать с Германией и тем самым спасти страну от гибели».
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.