No dia 30 de julho de 2013, Vanderlei Luxemburgo aceitou a proposta do patrocinador para assumir o comando técnico do Fluminense, fechando um contrato de seis meses com o clube das Laranjeiras. Em sua estreia no tricolor, venceu o Cruzeiro por 1 a 0.
No primeiro mês comandando o Fluminense, em agosto, foi irregular, sem ter uma boa sequência de vitórias. Já em setembro, tudo mudou. O time ficou invicto, vencendo 4 partidas e empatando 3. Diferente de setembro, outubro foi péssimo. O time não venceu um jogo sequer e, após perder para o Vitória, no dia 27 de outubro, o cargo de Luxemburgo foi ameaçado. No dia 29 de outubro, sites confirmavam a demissão do técnico como certa, mas no dia 30 o clube resolveu manter o técnico até o próximo jogo, no dia 3 de novembro, contra o Flamengo. O Fluminense perdeu por 1 a 0, com gol contra de Gum, aos 44 minutos do 2º tempo. A derrota causou revolta a muitos tricolores e, horas depois do jogo, houve uma invasão na sede do clube. Para muitos, era o último jogo de Luxemburgo pelo Fluminense, mas a diretoria do clube deu um voto de confiança ao treinador. Segundo o presidente, apesar da derrota, o time evoluiu em relação às últimas partidas. Antes do jogo seguinte, contra o Corinthians, Luxemburgo afirmou que salvar o Fluminense do rebaixamento seria a conquista mais importante de sua carreira. O treinador também disse que só sairia do Fluminense se fosse mandado embora.