1950年代初，受到美國和聯邦德國（西德）大力推動牽引動力內燃化改革的影響，日本國有鐵道也開始計劃非電氣化幹線的牽引動力現代化。1952年，日本正式結束了石油製品統制制度，日本國鐵隨即恢復新型柴油機車的研製工作。1957年，隨著鐵路運輸量伴隨日本經濟高速增長，日本國鐵宣布執行第一個五年計劃（1957年—1961年），旨在提高鐵路系統運輸能力和推進牽引動力現代化。同年，日本國鐵在之前試製的DD50型柴油機車的基礎上，成功研製了採用電力傳動的DF50型柴油機車，這種機車的批量生產填補了幹線柴油機車的空白[1]。
與此同時，日本國鐵亦急切需要一種新型的調車柴油機車，目的是儘快替換眾多陳舊的蒸汽機車[2]。日本國鐵雖然從來沒有製造專門用於調車的蒸汽機車，但實際上許多在明治和大正時代製造的舊型幹線蒸汽機車，例如2120型、8620型、9600型蒸汽機車，已經退居二線作為調車機車使用。當時，日本三大都市圈內仍然大量使用蒸汽機車來擔當調車任務，僅在東京都範圍內就有60多台調車用的蒸汽機車，而名古屋和大阪都市圈內亦有近200台蒸汽機車[3]。
蒸汽機車不但會產生煤煙和噪音並對周邊環境造成污染，而且日益增加的燃料成本和勞動力成本亦是國鐵必須考慮到的問題[3]。為此，日本國鐵根據結構可靠、價格經濟、便於維修的原則，於1958年研製了專門用作調車的DD13型柴油機車，這也是日本第一款實現完全國產的柴油機車，柴油機及傳動裝置均由日本自行開發。機車上安裝有兩台DMF31系列柴油機，持續功率為2×370馬力，後來還進一步提高到2×500馬力。傳動系統採用在日本已有較多應用經驗的液力傳動方式[注 1]，所使用的DS1.2/1.35型液力傳動裝置已經在之前試製的DD42型柴油機車上得到驗證。
DD13型柴油機車的出現大大加快國鐵舊型蒸汽機車的淘汰速度，並顯示出柴油機車在運用效率和運用成本上的優越性；但是在牽引性能方面，因為它只有與8620型或C50型蒸汽機車相當的水平，如要替代9600型蒸汽機車擔當重載調車任務則較為困難[2]。此外，由於DD13型柴油機車的軸重超逾14噸，而且沒有搭載為旅客列車供暖的蒸汽鍋爐，使其運用範圍受到了一定限制[3]。儘管如此，作為日本國鐵第一款投入批量生產的液力傳動柴油機車，DD13型柴油機車為國鐵標準型柴油機車的發展奠定了技術基礎。
DD13型柴油機車於1958年開始投入批量生產，至1967年因後繼的DE10、DE11型柴油機車開發成功而停產。汽車製造、日本車輛製造、新三菱重工業、川崎重工業、日立製作所共生產了416台各種番台的DD13型柴油機車，其中包括264台基本番台、83台300番台、18台500番台、51台600番台。
1~84號機車
DD13 1～84號機車是於1958年3月至1960年6月落成的初期型機車，由汽車製造、日本車輛製造、新三菱重工業、川崎重工業、日立製作所生產。
這批機車裝用DMF31S型柴油機，持續功率為2×370馬力。轉向架為DT105型均衡樑式轉向架，輪對軸箱彈簧採用均衡樑式彈簧裝置。車體外觀特點方面，機車兩端各裝有一盞白熾燈作為前照燈，車體兩端正面均設有大面積通風百葉窗，作為動力設備冷卻系統的進風口。
85~110號機車
DD13 85～110號機車於1960年8月至1961年3月落成，由汽車製造和日本車輛製造生產。
這批機車的主要特點是改為採用DT113型無均衡樑式轉向架，輪對軸箱彈簧裝置改為軸箱兩側的捲簧。此外，原本設置在司機室下方的四個總風缸被改為安裝在轉向架兩側，騰出的空間用於加大燃油箱容積，使燃油儲備量由1000升大幅增加至2000升。
111號機車
1961年3月，日本車輛製造名古屋製作所製成了經過大幅改進的DD13 111號機車。
這批機車裝用經過強化的DMF31SB型柴油機，持續功率提高至2×500馬力。由於柴油機功率提高後發熱量增大，因而增強了機車散熱系統的冷卻能力，例如改為採用導熱性更佳的小型化鋁制散熱器，並以油—水熱交換器替代傳統的油—空氣散熱器，冷卻風扇的驅動方式亦以液力耦合器驅動取代機械驅動；全部散熱器均改為並列設置在車體兩側，並取消了車體兩端正面的通風百葉窗，以免散熱效率因機車行駛方向而受到影響。機車兩端各裝有兩盞密封光束燈作為前照燈，這也是車體外觀上最明顯的變化之一。此外，司機室內試驗安裝了兩個對應不同行駛方向的司機操縱台，以便日後調車機車實現單司機值乘，而氣軔系統和控制系統等方面也採用了一些新技術。
1973年，DD13 111號機車按照後來量產車的標準進行了改造。1977年，DD13 111號機車被改造成標準軌距的912型柴油機車。
112~264號機車
DD13 112～264號機車於1961年10月至1966年2月落成，由汽車製造、日本車輛製造、新三菱重工業、日立製作所生產。這批機車是對DD13 111號機車作出改良後投入生產的量產車，同樣採用了增大功率的DMF31SB型柴油機，但司機室內恢復使用傳統的橫向司機操縱台。從1963年5月製造的DD13 171號機車開始採用全新的國鐵柴油機車標準色塗裝，車身上半和下半部分別為灰色（鼠色1號）和金紅色（朱紅色4號），兩種顏色之間配有一道圍繞車身的白色帶，這種新塗裝取代了以往茶色（葡萄色2號）配黃色帶（黃1號）的舊標準色塗裝。1977年，其中兩台機車被改造成標準軌距的912型柴油機車。
DD13 301～383號機車於1966年3月至1967年11月間落成，由汽車製造、日本車輛製造、新三菱重工業、日立製作所生產。這批機車的主要特點是改變了車軸齒輪箱的傳動比，同時還提高了雙曲線螺旋傘齒輪的強度，轉向架型號亦由DT113型變更為DT113E型。由於這種轉向架無法與DT113型轉向架互換使用，因此將這批機車稱為300番台機車以作區分。
DD13 501～518號機車於1965年11月至1966年2月間落成，由汽車製造和日本車輛製造生產。500番台機車的主要特點是在基本番台後期型的基礎上增加了重聯控制裝置，車端加裝了與鄰車控制電路連接的重聯插座，除此之外與基本番台機車相比並沒有太大變化。
DD13 601～651號機車於1966年2月至1967年12月間落成，由汽車製造和日本車輛製造生產。600番台機車的主要特點是在300番台的基礎上增加了重聯控制裝置，車端加裝了與鄰車控制電路連接的重聯插座，除此之外與300番台機車相比並沒有太大變化。
從1950年代末起，DD13型柴油機車開始廣泛投入日本各地的編組站、貨運站、客車區運用，用於替換舊型蒸汽機車及擔當調車和小運轉任務，其中品川機關區、吹田第一機關區、田端機關區、新鶴見機關區、姬路第一機關區、龍華機關區等地的配屬數量相對較多。在部分支線鐵路上亦會使用DD13型柴油機車擔當旅客列車的牽引任務，例如水郡線、清水港線、福知山線（尼崎港支線）、山陽本線（和田岬支線）等。此外，在羽越本線上也曾經使用重聯的DD13型柴油機車來牽引幹線貨物列車。
至國鐵時代末期，日本國鐵為了削減龐大的經營赤字，對貨物運輸業務體系進行大規模縮減和改革，許多運量較少的支線鐵路和貨運站場被廢止，DD13型柴油機車亦從1979年起陸續封存或報廢。截至1987年4月1日國鐵分割民營化之際，除了經過改造的912型柴油機車被東海旅客鐵道（JR東海）和西日本旅客鐵道（JR西日本）繼承外，其餘所有DD13型柴油機車均已除籍報廢。
DD13型柴油機車是為調車和小運轉作業而研製的液力傳動調車柴油機車，車體外形類似於DD11型柴油機車，採用底架承載和外走廊結構的罩式車體，車體底架是由槽鋼和鋼板焊接而成的箱型結構，上部車體是由型鋼和鋼板焊接而成。為了使司機具有良好的兩端瞭望視野，司機室被設置在車體中央位置，司機室前後兩端分別為兩個動力室。此外，為了方便調車員登上機車及安全停留，車體底架的四個角上設有登車腳踏板，並且在機車前後兩端都設有過道及扶手。
司機室內設備布置吸取之前DD42型柴油機車的經驗，不再分別布置兩組斜對稱橫向布置的司機操縱台，而是改為採用一組縱向布置的司機操縱台及司機側身操作方式，令司機無需為了變更行駛方向而轉到另一邊的操縱台，只需通過切換開關來改變機車行駛方向，使之更適合用於需要頻繁變換行駛方向的站內調車作業。司機室兩側均設有兩扇動力集中式側窗，前後共有四個車門與機車外走廊相通，兩個端窗的中央有柴油機的排氣筒。冬季時的司機室供暖是由柴油機冷卻水提供。
早期生產的DD13型柴油機車裝用兩台由日本國鐵與新潟鐵工所、振興造機、大發工業共同開發的DMF31S型柴油機。這款柴油機的前身是在1937年研製成功的DMF31H型柴油機，曾經裝用於Kiha 43000型柴聯車進行試驗。DMF31S型柴油機是一種四行程、六氣缸、直列式、廢氣渦輪增壓的水冷式高速柴油機，氣缸直徑為180毫米，活塞行程為200毫米；持續功率為370馬力（275千瓦），額定轉速為每分鐘1300轉，最高轉速為每分鐘1500轉。考慮到加裝增壓裝置後柴油機強化程度的提高，DMF31S型柴油機採用了鑄鐵製造的氣缸體和曲軸箱、耐熱鋁合金鑄造的整體結構活塞，以及鍛鋼製造的連杆和曲軸，另外還採用了散熱能力更佳的濕式氣缸套，而沒有採用DMH17型柴油機上的乾式氣缸套。
從1961年生產的DD13 111號機車開始，改為裝用經過強化的DMF31SB型柴油機，持續功率提高至500馬力（370千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉。這款柴油機改為使用球形預燃室式燃燒室，並改良了進排氣門和氣缸蓋的設計，以減少柴油機進氣和排氣的阻力；燃油噴射泵也從傳統的圓弧凸輪改為切線凸輪，從而提高每單位時間的燃油噴射量；另外還更換了更大增壓比的渦輪增壓器，改良了渦輪轉子的設計使其能夠承受高速旋轉；還增設了柴油機排氣消音器。考慮到柴油機功率提高後發熱量增大，因而亦提高了機車散熱系統的冷卻能力，例如採用了全新的小型化鋁製散熱器；又借鑑德國聯邦鐵路的V100、V200型柴油機車，以油一水熱交換器替代傳熱係數較低的油一空氣散熱器，這也是日本柴油機車首次採用該方式來冷卻柴油機機油和液力傳動油；另外冷卻風扇亦以液力耦合器驅動取代機械驅動。
DD13型柴油機車是採用雙機組的液力傳動柴油機車，兩套相同的動力機組分別對稱布置在司機室前後。每台柴油機直接驅動一台振興造機製造的DS1.2/1.35型液力傳動裝置，傳動裝置通過特殊工具鋼製成的星形彎板與柴油機相連，所以藉此節省了柴油機和傳動裝置之間的軸向伸縮或聯軸器。柴油機和傳動裝置通過防震橡膠支撐在車體底架上，從兩組液力傳動裝置輸出的扭矩，通過第一萬向軸傳遞到換向齒輪裝置，然後從換向裝置的輸出法蘭經過第二萬向軸，分別傳給兩台轉向架上內側輪對（靠近司機室）的第一車軸齒輪箱，最後再經過第三萬向軸將動力傳到外側輪對的第二車軸齒輪箱。
DS1.2/1.35型液力傳動裝置實際上是一種里斯豪姆-史密斯型（Lysholm-Smith）三級液力變扭器，其技術源自瑞典轉子機械公司（Svenska Rotor Maskiner AB）的同類型產品。液力傳動裝置由二級四輪的液力變扭器、直連離合器、行星齒輪、飛輪和控制機構組成，具有完全自動轉換的三個速度檔（兩段變速、一段直結）。第一級速度檔是用行星齒輪將導向輪葉片承受的扭矩傳給輸出軸，並與渦輪軸輸出的扭矩合併； 第二級速度檔是將導向輪葉片固定的普通變速；第三級速度檔是通過濕式多片的直結離合器，將輸入軸與輸出軸扭矩直接連結，泵輪、渦輪和導向輪形成一體運轉狀態。這種傳動裝置是主要優點是結構緊湊和體積輕巧，加上在機車起動時可使導向輪葉片反轉，所以可以達到非常大的起動扭矩比（約7.5）。
機車走行部為兩台二軸轉向架。早期生產的DD13型柴油機車採用無搖枕的DT105型均衡樑式轉向架，這種轉向架採用鋼板焊接成箱型結構的「H」字形構架，輪對軸箱採用導框式軸箱定位裝置及均衡樑式彈簧裝置，軸箱彈簧為均衡樑和構架之間的捲簧。轉向架採用心盤承載方式支承車體重量，車體重量通過兩個心盤坐落在兩個轉向架的構架，然後經軸箱彈簧支承在均衡樑上，再由均衡樑將全部荷載均勻地分配於前後輪對。由於轉向架上內側輪對（靠近司機室）設有第一車軸齒輪箱，因此心盤位置從轉向架中心向車端側偏移了15毫米，以抵消車軸齒輪箱造成的軸重不平衡。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右兩側各設有一個軔缸。
從1960年生產的DD13 85號機車開始，改為採用無搖枕的DT113系列無均衡樑式轉向架。這種轉向架仍採用「H」字形構架以及導框式輪對軸箱定位裝置，但軸箱彈簧裝置改為軸箱兩側的捲簧，從而取消了笨重的均衡樑。轉向架採用心盤承載方式支承車體重量，車體重量通過下心盤坐落在轉向架構架上。基礎制軔裝置為雙側閘瓦制軔，每個輪對左右兩側各設有一個軔缸。由於DT113系列轉向架結構簡單可靠，因此後來還被廣泛應用於DD14、DD15、DD16、DD51型柴油機車。