1957年11月身任南京总高级步校校长的宋时轮被叫去北京。叫他来的是负责组建新中国最高军事研究机构——军事科学院的叶剑英。组建前，负责组建的叶剑英认为宋时轮是员干将，将他叫来做自己的助手任第一副院长。
文革开始后，宋时轮遭到林彪一伙的冲击。宋时轮被推上台遭造反派批斗。造反派批他是“三反分子”，宋时轮乘机赞同:“对！我是反帝国主义，反封建主义，反国民党蒋介石。反错了吗？！”让一旁的造反派无言以对。
1971年林彪失事后，叶剑英住持中央军委工作，不便再担任院长。1971年12月15日召集党委会，会上因为粟裕等人的年龄大、身体也有问题，不适合担任院长一职。于是年轻点的宋时轮被叶剑英提议主持军科院工作。
次年10月22日毛泽东批准，宋时轮担任军事科学院院长，第一政委是粟裕。巧合的是粟裕在解放战争时期是华东野战军的副司令，宋时轮是下辖的十纵司令员。
1977年，周恩来、朱德相继逝世，毛泽东病重，邓小平等寻不见。宋时轮对人讲：“万不得已时，我们要实行兵谏！”大有当年张杨之风。
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