Bułgarska misja 30 sierpnia 1880 Sobolew otrzymał awans na stopień generała-majora. Po przewrocie dokonanym w 1881 przez księcia Bułgarii, Aleksandra Battenberga do jego dyspozycji skierowano grupę oficerów armii carskiej jako doradców i ministrów w nowym rządzie. Stanowisko ministra spraw wewnętrznych otrzymał Sobolew, zaś 5 czerwca 1882 stanął na czele nowego rządu. Jako premier Księstwa Bułgarii, realizował cele polityczne Petersburga, a do współpracy zapraszał polityków konserwatywnych. Spór Sobolewa z konserwatystami wywołała kwestia budżetu. Sobolew opowiadał się za dyscypliną budżetową, czego nie akceptowali politycy bułgarscy. 3 marca 1883 przeprowadził reorganizację gabinetu, w skład którego weszli także politycy liberalni jak Kirjak Cankow i Todor Burmow. Zmian politycznych nie chciał zaakceptować Battenberg, który w Rosji bezskutecznie zabiegał o odwołanie Sobolewa. We wrześniu 1883 po przywróceniu przez księcia konstytucji tyrnowskiej, Sobolew powrócił do Rosji.