1957年11月身任南京總高級步校校長的宋時輪被叫去北京。叫他來的是負責組建新中國最高軍事研究機構——軍事科學院的葉劍英。組建前，負責組建的葉劍英認為宋時輪是員干將，將他叫來做自己的助手任第一副院長。
文革開始後，宋時輪遭到林彪一夥的衝擊。宋時輪被推上臺遭造反派批鬥。造反派批他是“三反分子”，宋時輪乘機贊同:“對！我是反帝國主義，反封建主義，反國民黨蔣介石。反錯了嗎？！”讓一旁的造反派無言以對。
1971年林彪失事後，葉劍英住持中央軍委工作，不便再擔任院長。1971年12月15日召集黨委會，會上因為粟裕等人的年齡大、身體也有問題，不適合擔任院長一職。於是年輕點的宋時輪被葉劍英提議主持軍科院工作。
次年10月22日毛澤東批准，宋時輪擔任軍事科學院院長，第一政委是粟裕。巧合的是粟裕在解放戰爭時期是華東野戰軍的副司令，宋時輪是下轄的十縱司令員。
1977年，周恩來、朱德相繼逝世，毛澤東病重，鄧小平等尋不見。宋時輪對人講：“萬不得已時，我們要實行兵諫！”大有當年張楊之風。
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