Ved Balkanmesterskapet i friidrett innendørs 2013 kom han på 2.-plass på 60 meter med tiden 6,76 sekunder, en hundredel bak greske Efthímios Steryioúlis. Han deltok på Bulgarias lag ved Lag-EM i friidrett 2013, der Bulgaria deltok i First League. Der kom han på 2.-plass på 100 meter, bak Churandy Martina, med tiden 10,76. Han deltok også på 4 x 100 meter stafett, der Bulgaria kom på 11.-plass. Ved junior-EM i friidrett 2013 i juli løp han både 100 og 200 meter. På 100 meter kom han på 2.-plass, bak britiske Chijindu Ujah, og på 200 meter kom han på 7.-plass. Ved Balkanmesterskapet i friidrett 2013 vant han 100 meter på tiden 10,32, men det var for mye medvind (3 m/s) til at dette resultatet teller som personlig rekord. Bulgaria kom på 2.-plass på 4 × 100 meter, med Dimitrov på laget. I august deltok han ved VM i friidrett 2013 i Moskva. Der løp han 100 meter på 10,29 i innledningsheatet, som var 30. beste tid, men han gikk ikke videre til semifinalene.