湖南省醴陵县人。1927年4月15日，蒋介石在广州发动反革命政变，宋时轮因共产党嫌疑被捕入狱。1928年出狱后，他辗转香港、上海，多方寻找党组织。没有找到。1929年返回湖南家乡，一面寻找党组织，一面在浏阳、醴陵、江西萍乡、攸县地区组织起了一支三十余人的游击队，并担任萍醴边游击队队长，打白匪，杀土豪，开展游击活动，同党组织取得了联系后，编人中国工农红军第六军。以后他参加了中央苏区第二至第五次反“围剿”作战，指挥所属部队参加了红一方面军东征作战、西征作战和三大主力会师后的山城堡战役，以及援西军的行动等。
1937年9月，遵照八路军总部的命令和毛泽东的指示，他率第七一六团一个营组成雁北支队，任雁北支队支队长兼政治委员。他率部北越长城，挺进雁北地区开展游击战争，打击日军，在不到一个月的时间内，连续收复数座城镇。直逼大同，严重威胁了大同日军和同浦路北段日军交通，打开了雁北地区的抗日局面，受到八路军总部的高度赞扬。
1938年6月，他率领部队挺进冀东，配合李运昌、胡锡奎等组织领导冀东抗日武装暴动，并一度挺进到当时的北平郊区。后协助地方党组织领导了有20余县和开滦煤矿共20余万人参加的冀东大暴动，发展冀东抗日武装10万余人，开创了冀东抗日游击根据地。后来冀东抗日武装由于种种原因受挫，但中央军委曾肯定地指出:“宋邓纵队深人冀东苦战数月,配合并促成地方党所领导的冀东起义，恢复冀东的中国政权，发动了群众，建立了冀东的游击区，扩大了我军在敌深远后方的政治影响，给敌人以打击，一般说来是获得了成绩的。”
1946年1月，出任北平军事调处执行部中国共产党方面执行处处长，国民党反动派在谈判桌上理屈词穷，竟然唆使流氓、特务打砸军调部中共代表处，非法抓走我新华社和解放报的记者。宋时轮以少将执行处长身份，直闯警察局，据理谴责国民党当局破坏谈判的行为，要求立即释放我方记者。伪警察局上校局长被迫认错道歉，答应立即释放被捕记者。宋时轮大闹警察局的故事，在北平一时传为佳话。1947年1月，任华东野战军第十纵队司豫东、积极协助中共代表叶剑英与美国和国民党方面代表进行谈判斗争。令员，率部南征北战，驰伶疆场，参加了朝阳集、泰安、老河口、济南、淮海、渡江、上海等重要战役，表现了出色的指挥才能。
宋时轮将军不仅能攻而且善守。1948年6月，将军指挥华野十纵于河南杞县姚林岗御国民党邱清泉兵团之进攻，激战七昼夜，邱部未进一寸，且损兵五千。淮海战役之徐东阻击战，宋时轮将军指挥三个纵队，阻击徐州邱清泉、李弥两个兵团之进攻。敌在坦克、飞机支援下拼死猛攻，而将军指挥所部沉着应战,坚守阵地，岿然不动十昼夜。故国民党军传言曰:“排炮不动，必是十纵。
1949年2月后，宋时轮任第三野战军第九兵团司令员，率部南下参加渡江战役和上海战役。
抗美援朝战争期间，宋时轮任志愿军副司令员兼第9兵团司令员和政治委员。1950年11月7日，宋时轮在敌人空中封锁，阻止我军后续部队入朝参战的情况下，指挥第九兵团十几万部队，在敌人眼皮底下秘密入朝，到达预定作战地区。事后被敌人惊奇的称作：当代军事史上的一个奇迹。在第二次战役中指挥东线作战，共歼敌1.39万余人，给美国“王牌军”陆战第一师以沉重打击。毛主席称赞第九兵团东线作战“在极困难条件之下，完成了巨大的战略任务”。在长津湖战役中,又全歼美军一个整团，创造了中国人民志愿军全歼美军建制团的范例，后来被编进了美国西点军校的战役教材中。
在60余载的革命生涯中，他身经百战，战功卓著，历经坎坷艰险，始终忠贞不渝，表现了一个共产党员对党的事业的高度忠诚。
现安葬于北京八宝山革命公墓第一墓区。
