Stoch znalazł się w polskim składzie na MŚ 2013 w Val di Fiemme. W pierwszej serii konkursu na skoczni normalnej plasował się na drugiej pozycji (102 m), tracąc 2,8 pkt do lidera, Andersa Bardala. W drugiej osiągnął 97 m, ze słabym lądowaniem i spadł na ósme miejsce. W pierwszej serii konkursu na dużej skoczni oddał najdłuższy skok – 131,5 m. Był liderem po zakończeniu pierwszej kolejki, wyprzedzając drugiego Petera Prevca o 5,1 pkt. W finałowej serii osiągnął 130 m i zdobył złoty medal, mając o 6,1 pkt. więcej od drugiego Prevca, a o 6,7 od trzeciego Jacobsena. Zaraz po zawodach Stoch i Prevc byli zagrożeni dyskwalifikacją za zdjęcie kombinezonów. Przepis ten miał być wprowadzony dzień wcześniej, ostatecznie anonimowy protest został przez sędziów odrzucony. Mistrzem świata został w ten sam dzień, w który dokonał tego Adam Małysz dekadę wcześniej w tym samym miejscu. Stoch wziął udział w konkursie drużynowym na dużej skoczni, w którym zgłoszony był do czwartej grupy zawodników. Przed jego pierwszą próbą Polska klasyfikowana była na piątym miejscu. Oddał on skok na 134 metr i po zakończeniu pierwszej kolejki Polska zajmowała czwarte miejsce, przegrywając o pięć punktów z trzecimi Niemcami. W drugiej startował, na prośbę trenera, z obniżonej o dwie pozycje belki i osiągnął 130 metrów. W pierwotnych wynikach zawodów jego drużyna zajęła czwarte miejsce, jednak po ponownym podliczeniu punktów na prośbę Niemców uplasowali się na miejscu trzecim (błędnie obliczona była nota Andersa Bardala, przez co Norwegia znajdowała się przed Polską). Tym samym Polacy z Kamilem Stochem w składzie zdobyli brązowy medal, przegrywając o 0,8 pkt. z reprezentacją Niemiec.