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.
В 1944 году дивизия частично получила пополнения и новые танки. Вернувшись на фронт, она участвовала в попытке деблокады немецких войск под Черкассами и в отступлениях к Бугу и Днестру. Она понесла большие потери в сентябре 1944 года, когда Румыния откололась от Оси и дивизия внезапно оказалась отрезанной в тылу противника. В дивизии оставалось всего 40 танков, и почти все они были потеряны в ходе прорыва. Отдельным подразделениям 13-й танковой дивизии удалось добраться до немецких позиций. Другие остатки дивизии (включая ту ее часть, которой командовал генерал Трегер) отошли в Болгарию, где были интернированы и переданы советским войскам. В октябре дивизия была отведена с фронта на переформирование и получила вновь сформированную 110-ю танковую бригаду, состоявшую из 2110-го танкового батальона (четыре роты «пантер»), 2110-го моторизованного батальона (пять рот мотопехоты на полугусеничных бронетранспортерах), 2110-й саперной роты и различных подразделений обеспечения. Одновременно дивизия была переименована в 13-ю танковую дивизию «Фельдхернхалле».
Несмотря на то что ее численность все еще оставалась намного меньше штатной, дивизия в ноябре была снова брошена в бой на южном участке Восточного фронта (на этот раз — в Венгрии). По состоянию на декабрь 1944 года в 13-й танковой дивизии было всего 3000 человек и около 20 Pz-IV и «пантер». Большая часть дивизии в декабре была окружена в Будапеште и уничтожена в ходе штурма города и последовавшей в феврале неудачной попытки прорыва. Остатки дивизии (около 300–500 человек), которым удалось ускользнуть, были переформированы под командованием подполковника резерва Вильгельма Шенинга и, став боевой группой «Шенинг», составили ядро танковой дивизии «Фельдхернхалле 2», сформированной 24 февраля 1945 года. Эту дивизию также иногда именовали 13-й танковой, хотя она и была совершенно отдельной дивизией (см. главу «Танковая дивизия „Фельдхернхалле 2“».
13-й пехотной (танковой) дивизией командовали: генерал-майор (генерал-лейтенант) Пауль Отто (принял командование 1 октября 1934 года), генерал-лейтенант Мориц фон Фабер ду Фаур (21 августа 1939 года), Отто (вернулся 7 сентября 1939 года), генерал-лейтенант Фридрих-Вильгельм фон Роткирх унд Пантен (1 ноября 1939 года), генерал-майор Вальтер Дюверт (14 июня 1941 года), полковник (генерал-майор) Трауготт Герр (29 ноября 1941 года), полковник Вальтер Кюн (исполняющий обязанности, 1 октября 1942 года), генерал-майор (генерал-лейтенант) Гельмут фон дер Шеваллери (1 ноября 1942 года), полковник Вильгельм Кризолли (1 декабря 1942 года), вновь Шеваллери (15 мая 1943 года), полковник (генерал-майор) Эдуард Хаузер (1 сентября 1943 года), полковник (генерал-майор) Ганс Микош (23 декабря 1943 года), полковник Фридрих фон Хаке (18 мая 1944 года), генерал-лейтенант Ганс Трегер (25 мая 1944 года), полковник (генерал-майор) Герхард Шмидхубер (9 сентября 1944 года) и подполковник резерва Вильгельм Шенинг (12 февраля 1945 года).