Vào lúc nhập biên chế, I-13 được phối thuộc cùng Quân khu Hải quân Sasebo[8] và được điều động về Đội tàu ngầm 1 trực thuộc Đệ Lục hạm đội.[8] Nó rời Kobe vào ngày 16 tháng 12, 1944 để đi sang Kure,[8] đến nơi vào ngày hôm sau.[8] Nó bắt đầu thực hành huấn luyện cùng Hải đội Tàu ngầm 11, bao gồm các tàu ngầm I-400 và sau này có cả I-401 tại khu vực phía Tây biển nội địa Seto, trong tháng 1, 1945.[8] Vào ngày 19 tháng 1, I-13 phục vụ như mục tiêu thực hành chống tàu ngầm cho các tàu khu trục Kamikaze và Nokaze.[8]

I-13 đang hiện diện tại Kure khi Lực lượng Đặc nhiệm 58 thuộc Đệ Ngũ hạm đội Hoa Kỳ tung ra đợt không kích xuống căn cứ này vào ngày 19 tháng 3.[8] Khoảng 240 máy bay xuất phát từ các tàu sân bay USS Essex, USS Intrepid, USS Hornet, USS Wasp, USS Hancock, USS Bennington và USS Belleau Wood đã tham gia cuộc tấn công, nhưng I-13 đã thoát được mà không bị hư hại.[8]

Sau khi Không Lực 20 Hoa Kỳ tiến hành cuộc ném bom hàng loạt quy mô lớn xuống Tokyo vào đêm 9-10 tháng 3, Bộ chỉ huy Đệ Lục hạm đội đề xuất một chiến dịch ném bom trả đũa xuống San Francisco, California bởi các thủy phi cơ Aichi M6A1 Seiran xuất phát từ các tàu ngầm thuộc Đội tàu ngầm 1. Tuy nhiên vào tháng 4, Phó Tổng tham mưu trưởng Hải quân Nhật Bản, Phó đô đốc Jisaburō Ozawa, đã từ chối đề xuất này.[8]

Vào cuối tháng 5, I-13 cùng các tàu ngầm khác thuộc Đội tàu ngầm 1 (I-14, I-400 và I-401) được trang bị ống hơi. [8] Đến ngày 27 tháng 5, I-14 cùng với I-13 rời Kure để đi sang căn cứ hải quân Chikai (nay là Jinhae-gu), Triều Tiên để tiếp nhiên liệu,[8] rồi quay trở về Nhật Bản, đi đến vịnh Nanao gần Takaoka tại bờ biển phía Tây Honshū vào ngày 2 tháng 6.[8][9]

Chiến dịch kênh đào Panama

Bị mất

Vào ngày 16 tháng 7, lúc 07 giờ 47 phút, một máy bay TBM-3 Avenger thuộc Liên đội Hỗn hợp VC-13 của tàu sân bay hộ tống USS Anzio (CVE-57) đã phát hiện qua radar một tàu ngầm đang đi trên mặt nước ở Thái Bình Dương, tại vị trí khoảng 550 nmi (1.020 km) về phía Đông Yokosuka.[8] Chiếc Avenger đã bắn phá mục tiêu bằng hỏa lực súng máy và rocket HVAR,[8] buộc chiếc tàu ngầm phải lặn xuống nhưng để lại một vệt dầu trên mặt biển.[8] Chiếc Avenger thả hai quả mìn sâu tấn công, rồi thả thêm một phao sonar và một ngư lôi dò âm Mark 24 FIDO.[8] Thêm hai chiếc Avenger thuộc Liên đội VC-13 xuất phát từ Anzio bay đến thay phiên, thả thêm phao sonar và ngư lôi FIDO.[8] Những chiếc Avenger sau đó dẫn đường cho tàu hộ tống khu trục USS Lawrence C. Taylor (DE-415) đến địa điểm một vệt dầu loang lớn, làm bộc lộ vị trí chiếc tàu ngầm.[8] Lúc 11 giờ 40 phút, chiếc tàu hộ tống bắn một loạt 24 quả đạn súng cối chống ngầm Hedgehog, đánh chìm chiếc tàu ngầm, nhiều khả năng là I-13, tại tọa độ 34°28′B 150°55′Đ / 34,467°B 150,917°Đ / 34.467; 150.917.[8][10]

Đến 10 giờ 33 phút ngày 31 tháng 7, trinh sát vô tuyến tình báo Hoa Kỳ chặn được bức điện của Hải quân Nhật cho thấy họ mất liên lạc với I-13 kể từ khi nó rời Ōminato vào ngày 11 tháng 7, và không rõ tung tích.[8] Đến ngày 1 tháng 8, Hải quân Nhật Bản công bố I-13 có thể đã bị mất với tổn thất nhân mạng toàn bộ tại khu vực Truk.[8] Tên nó được cho rút khỏi đăng bạ hải quân vào ngày 15 tháng 9, 1945.[8][7] Tổn thất toàn bộ 140 thành viên thủy thủ đoàn của I-13 là tổn thất nhân mạng lớn nhất đối với một tàu ngầm Nhật trong Thế Chiến II.[8]