1937年7月，抗日戰爭全面爆發後，該軍隸屬國民革命軍第七集團軍，湯恩伯任軍長，鮑剛任副軍長。下轄：第四師，王萬齡任師長；第89師，王仲廉任師長。同年8月，該軍在平綏線上抗擊日軍，而後又參加平漢路北段南口防禦作戰。10月，湯恩伯被任命為第20軍團長後，鮑剛升任軍長。1938年初，張軫任軍長。同年6月，湯恩伯升任國民革命軍第三十一集團軍總司令，張軫接任第20軍團長，王仲廉接任該軍軍長。此時，該軍下轄第23師，李必蕃任師長；第110師，吳紹週任師長；新編第35師，王勁哉任師長。不久新編第35師改稱第128師。參加了徐州會戰、武漢會戰。1939年初，國民黨軍在整編中，該軍奉命將第23師與第85軍第89師對調建制關係；第128師脫離該軍建制，改隸湘鄂贛邊區游擊隊總指揮部；原國民革命軍第89軍第193師改隸第13軍。此次整編後，該軍下轄第89、第110、第193師，留置桐柏山區游擊。1940年1月，張雪中任軍長。同年4月，該軍第193師該隸國民革命軍新編第2軍，另將新組建的新編第1師列入該軍編制序列。

1942年下半年，第十三軍第一一0師與國民革命軍第八五軍第四師對調建制關係，第四師改隸第十三軍。7月30日，張雪中升任第31集團軍副總司令，第85軍副軍長石覺代理該軍軍長。1943年初國民黨軍在整訓中，將該軍第110師改隸第85軍，同時將原屬第89軍的第117師改隸第13軍。同年5月，石覺實任軍長，吳紹週、王毓文、王公亮、舒榮任副軍長，張純璽任參謀長。此時，該軍下轄：第4師，蔡劍鳴任師長；第89師，舒榮兼任師長；第117師，劉漫天任師長。1944年5月，暫編第16師調歸該軍編制序列，參加了豫中會戰。同年9月，該軍第117師改隸國民革命軍暫編第一軍，另將國民革命軍新編第八軍暫編第16師改隸第13軍。同年底，第13軍奉命調往貴州，據守貴陽。1945年2月，第13軍所屬暫編第16師被裁減，另將被撤消建制的國民革命軍第九軍第五十四師改隸第13軍。同年4月至5月，該軍參加湘西會戰和收復桂林之戰。

1945年8月，抗日戰爭勝利後，該軍由秦皇島海運東北地區，隸屬東北行營，為國民黨軍隊進入東北的前鋒軍。於1945年冬，該軍先後進占山海關、九門口、錦州等地。1946年1月，該軍主力沿錦（州）承（德）一線，向熱河解放區大舉進攻，企圖奪取承德和赤峰等要點，並在華北國民黨軍的配合下，佔領整個熱河省，發起了進攻熱河戰役。但在此次作戰中，該軍被人民解放軍殲滅2000餘人。同年2月中旬，該軍第89師孤軍冒進進占了遼西秀水河子地區。人民解放軍在偵得這一情報後，當即將其嚴密包圍，集中兵力於2月13日黃昏對其發起攻擊。被圍的國民黨軍拼死抵抗，雙方激戰至14日晨，將其第266團和第265團1個營、師屬山砲連、汽車連全部被殲滅，斃俘1400餘人。7月，該軍駐熱河承德，隸屬東北保安司令長官部，主要擔任熱河地區的守備和局部地區機動作戰任務。同年冬，該軍開至東北。此時，下轄：第4師，駱振韶任師長；第54師，史松泉任師長；第89師，萬宅仁任師長。同年12月至1947年4月，該軍先後參加了對南滿解放區進攻的臨江進攻戰（解放軍稱四保臨江戰役）第4次作戰、松花江以南防禦解放軍進攻戰役（解放軍稱三下江南作戰）的第3次作戰和1947年的東北夏季防禦作戰（解放軍稱東北夏季攻勢）等。其第89師在對臨江的第4次進攻作戰中，被人民解放軍全殲，師長萬宅仁化裝潛逃。

1947年秋，該軍第54師調出，與國民革命軍新編第六軍第14師及新建的暫編第59師合編為國民革命軍新編第三軍。在此同時，該軍將收編的地方保安團隊編成的暫編第63師列入該軍序列。其後，參加了東北秋季戰役（解放軍稱東北秋季攻勢作戰）、東北冬季戰役（解放軍稱東北冬季攻勢作戰）。

1948年5月，國民黨軍調整作戰部屬，熱河省劃歸華北“剿總”管轄，第13軍隨之改隸華北“剿總”指揮，參加了冀熱察戰役（解放軍稱出擊冀熱察戰役）。同年11月，軍長石覺調第9兵團任兵團司令職。另以第9兵團副司令駱振韶兼任軍長，胡冠天任副軍長，全英任參謀長。此時，該軍下轄：第4師，駱振韶兼任師長（後鄧邦捷接任師長）；第89師，劉建章任師長（後胡冠天、潘如涵接任師長）；暫編第63師，（後改番號為第297師)，歐孝全任師長。同年9月，遼沈戰役開始後，該軍隸屬冀熱遼邊區司令部，曾由承德出兵增援遼西。遼沈戰役結束後，華北國民黨軍收縮兵力，該軍由承德撤到北平附近地區，並大肆擴編隊伍，第155師和第299師此時隸屬該軍序列，使其所轄軍隊達到5個師。1949年1月，該軍第155師兩個團、第297師1個團在密雲被人民解放軍全殲。1月21日，在北平和平解放前夕，該軍軍長駱振韶、副軍長胡冠天、參謀長全英及師以上軍官等，由北平乘飛機逃往南京，留在北平的部隊接受人民解放軍的和平改編。