Tusentals barn har undersökts vart tionde år sedan 1973.
En tredjedel av barnen i Wales sades ha god munhälsa totalt sett, vilket kan jämföras med 39 procent i England.
Decay upptäcktes hos 52 % av 12-åringarna och 63 % av 15-åringarna, vilket var en liten förbättring jämfört med 2003 års undersökning.
Men omkring 70 procent av dem rapporterade problem med sina tänder.
Decay upptäcktes hos 41 % av de femåriga barnen i deras primära tänder och hos 55 % av de åttaåriga eleverna, enligt rapporten från hälso- och sjukvårdscentralen.
Svåra tandproblem var värre bland barn med sämre bakgrund.
Omkring hälften (47 %) av femåringarna kan sägas ha god munhälsa.
Men det minskade med åldern, till omkring en fjärdedel av 15 år gamla barn.
Andra fynd:
De senaste resultaten 2003 visade att munhälsan hade förbättrats avsevärt sedan 1970- och 1980-talen.
Den här gången ombads också 12 och 15-åringar att fylla i ett frågeformulär om hur de tog hand om sina tänder.
Under 2009 lanserade den walesiska regeringen ett nationellt program för att främja bättre tandvård bland små barn. Sedan dess har den investerat över 12 miljoner pund i programmet.
Det föreslogs också att programmet nyligen hade lett till en minskning på 6 % av andelen femåringar som drabbas av tandförruttnelse.
Experter påpekar att det kan finnas flera skäl till att barns tänders hälsa i Wales fortfarande släpar efter dem från andra brittiska länder, inklusive socioekonomiska förhållanden.
Den undersökningen för 10 år sedan visade också en stor nedgång hos 15-åringar med tydligt förfall från 94 procent 1983 till 58 procent.
Skotska barn ingår inte i 2013 års undersökning, men Wales har bättre resultat än Nordirland, där 31 % bedömdes vara vid god munhälsa.
Den walesiska regeringen sade sin egen senaste övervakning undersökning visade en 6% minskning i andelen femåringar med tandförruttnelse.
"Men det finns mer att göra för att förbättra tandhälsan hos barn i Wales, särskilt eftersom den stora majoriteten av tandförruttnelsen kan undvikas", sade en talesperson.
Föräldrar kan hjälpa sina barn genom att minska sockerintaget och uppmuntra dem att borsta tänderna två gånger om dagen med fluortandkräm.
Den har också publicerat en egen undersökning av tandhälsa för att identifiera hur mycket förfall bland femåringar som redan förekommer vid tre års ålder.
Endast en tredjedel av barnen i Wales har friska tänder överlag och detta ligger efter England, enligt en stor undersökning.