Зиму 1940/41 года 13-я танковая дивизия провела в Румынии, но в кампании на Балканах не участвовала. В мае 1941 года дивизия была направлена в Силезию и вступила на территорию Советского Союза в июне в составе группы армий «Юг». 13-я танковая дивизия практически с самого начала вторжения вела тяжелые бои. Она сражалась под Люблином и Уманью, участвовала в прорыве «линии Сталина» под Тульском, в наступлении на Киев и его окружении. Дивизия заняла Кременчуг и 25 августа захватила первый немецкий плацдарм на левом берегу Днепра в районе Днепропетровска. Затем дивизия участвовала в окружении советских войск под Черниговкой (у Азовского моря) и штурме Мариуполя, Таганрога и Ростова-на-Дону, который советские войска вскоре отбили. 13-я танковая дивизия понесла большие потери и была измотана.
К ноябрю 1941 года у ее командира и двоих командиров полков появились признаки нервного истощения. Оказав помощь в отражении советского зимнего наступления 1941/42 года на рубеже реки Миус, 13-я танковая приняла участие в новом штурме Ростова-на-Дону (с тяжелыми боями) и наступлении Эвальда фон Клейста на кавказские нефтяные месторождения в 1942 году. 13-я танковая дивизия форсировала Терек в районе Ищерской (менее 25 км от Грозного), где ей пришлось столкнуться с мощными контратаками советских войск. Передовая боевая группа дивизии уничтожила 33 советских Т-34 и КВ-1 за два дня боев, но при этом погиб в бою полковник Герберт Ольбрих, командир 4-го танкового полка. Передовые части дивизии двинулись дальше и 27 сентября заняли Эльхотово, «ворота Кавказа», но дальше пройти не смогли. В ноябре дивизия была окружена в результате контрнаступления советских войск, но сумела вырваться из кольца, понеся при этом огромные потери. Большая часть дивизии успела покинуть Кубань до того, как советские войска блокировали ее, вновь заняв Ростов-на-Дону, но некоторые подразделения были отрезаны и позднее были эвакуированы через Крым.
К этому времени в дивизии оставалось всего 18 боеспособных танков. Воссоединившись в Крыму в составе восстановленной 6-й армии, 13-я танковая дивизия получила батальон танков «пантера» и Pz-IV новых, улучшенных модификаций, а также несколько самоходных противотанковых орудий, после чего была направлена на Украину, где сражалась под Харьковом и Запорожьем. К августу 1943 года, когда дивизия вместе с 336-й пехотной дивизией, 15-й авиаполевой дивизией люфтваффе и штабом XXIX корпуса была окружена под Мелитополем, в ее составе насчитывалось всего семь танков. Уступая в численности противнику более чем в семь раз, 13-я танковая дивизия возглавила прорыв, начавшийся 30 августа, и достигла немецких позиций 2 сентября. Оставшись на фронте, потрепанная, но закаленная в боях дивизия прикрывала отступление корпуса, оставлявшего Сталино (Донецк). Затем она пробивалась с боями к Днепру, участвовала в боях на Никопольском плацдарме и в последующей эвакуации в Кривой Рог.