1907年9月10日，出生于湖南醴陵北乡黄村，曾就读于醴陵县立中学。
1923年冬，在长沙入军阀吴佩孚的军官教导团学习。
1926年，考入黄埔军校第五期，并加入中国共产主义青年团。
1927年1月，转入中国共产党。4月，国民党在广州制造了“四一五”惨案，宋时轮作为“共党嫌疑”被捕，判处1年徒刑。
1929年，出狱后到湖南浏阳、醴陵和江西萍乡边界地区组建游击队，任萍醴边游击队队长，后编入中国工农红军第6军。
1930年起，任湘东南第2纵队政治委员、红军学校第4分校校长、红35军参谋长、独立第3师师长、红21军参谋长兼第61师师长、中央苏区西方军参谋长、江西军区兼东北战区指挥部作战科科长等职，参加了中央苏区历次反“围剿”。
1934年10月，参加长征，任军委干部团教员。到达陕北后，任红15军团作战科科长。
1936年，先后任红30军、红28军军长，率部参加东征、西征和山城堡战役。
1938年5月，转赴平西区，任八路军第4纵队司令员兼第12支队司令员。6月，与政治委员邓华率部挺进冀东，支援李运昌、胡锡奎等组织领导的冀东抗日武装暴动。8月，兼任冀察热辽军区司令员。
1940年，到延安，先后入马列学院和中共中央党校学习。
1945年9月，随陈毅到山东根据地工作，任津浦前线指挥部参谋长。
1946年1月，任北平军事调处执行部中共方面执行处处长，协助中共代表叶剑英同国民党军事代表进行谈判。期间，处置过多起突发事件，并曾险些遭国民党特务开枪刺杀。
1947年2月起，任华东野战军第10纵队司令员，率部参加莱芜战役。4月，在泰蒙战役中，指挥所部及第3纵队一部全歼泰安守军。尔后率部参加孟良崮和沙土集等战役。8月，为配合刘邓大军进军大别山，组织指挥梁山阻击战。
1948年2月，进军豫皖边，先后参加宛西和宛东战役。6月，在豫东战役中，为保障主力夺取开封，指挥所部先在上蔡重创国民党军整编第11师，尔后又在杞县东南桃林岗顽强阻击五昼夜，重创国民党军整编第5军。9月，参与指挥济南战役，率西集团担任主攻，运用炮火、爆破、突击相结合的战术，与东集团一起全歼守敌10万余人，开创了人民解放军夺取重兵坚固设防大城市的先例，并使华北、华东两大解放区连成一片，为其后实施淮海战役创造了条件。在淮海战役中，曾指挥3个纵队阻击徐州东援之敌，并参加围歼杜聿明集团。
1949年2月，任第三野战军第9兵团司令员。4月，率部参加渡江战役，与第7兵团一起首先突破国民党军长江防线，尔后指挥所部急行军，协同第10兵团在郎溪、广德地区迅速围歼南逃的国民党军5个军。5月，在上海战役中，指挥所部实施多路快速穿插，率先攻入市区。上海解放后兼任淞沪警备区司令员。
1950年11月，率部参加抗美援朝战争，任中国人民志愿军第9兵团司令员兼政治委员，后任志愿军副司令员兼第9兵团司令员和政治委员，参与指挥第二、第五次战役和1951年夏秋防御战役、1952年春夏巩固阵地作战等。
1952年秋，回国，任中国人民解放军总高级步兵学校校长兼政治委员。
1957年11月，调任军事科学院第一副院长，曾先后兼任计划指导部、外国军事研究部部长等职。
1972年10月，任军事科学院院长。
1978年，任中央军委教育训练委员会主任，参与恢复军队院校和教育训练工作。
1980年起，先后担任中国大百科全书总编辑委员会副主任和军事卷编辑委员会主任、中国军事百科全书编审委员会主任。
1984年2月，任中央军委战史、军史编审委员会副主任委员。
1991年9月17日，在上海病逝，终年84岁。
《合成军队战斗条令概则》、《战役学》、《战役学纲要》、《游击战纲要》、《国家军制学》、《司令部工作条例》、《中国大百科全书·军事》、《中国军事百科全书》、《斯大林军事文选》、《毛泽东军事文选》、《毛泽东军事思想的形成及其发展》等。
《军事科学院十三年工作的回顾》、《毛泽东军事思想的形成及其发展》、《毛泽东军事思想初探》、《毛泽东军事思想是我军胜利的指南》等。
《关于战略方针问题的建议》、《关于今后反侵略战争作战问题的初步设想》、《关于今后反侵略作战的一般战法的问题》、《关于我国军事组织体制问题的几点建议》、《关于军事思想和军事战略方面的几个问题的探讨》等。
1933年2月第四次反“围剿”斗争中，在江西宜黄的黄陂地区，宋时轮指挥所部与兄弟部队并肩作战，一举全歼国民党军第52师，俘师长李明。随后，他又率部连续作战，歼灭国民党军第59师并俘师长陈时骥。黄陂一仗共歼国民党军近两个师，俘国民党军近万人。
1937年底到1938年中旬，宋时轮支队在同蒲线以西、京绥线以东，同日军进行大小战斗百余次，击毁日军汽车390余辆，歼灭日军2000余人，缴获各种武器1000余支（挺）；支队由最初的5个连扩建为3个营、1个骑兵大队、8个挺进队，总兵力达2000余人。成功地在极短的时间内创造了晋西北持久抗战的根据地，在补充了自身的同时，多次粉碎了日军的进攻。
1950年11月27日，宋时轮指挥第9兵团第27军全歼“联合国军”美第7师第31团（加强团），创造了人民解放军有史以来唯一一次消灭美军建制团的纪录。在第二次战役中指挥东线作战，共歼“联合国军”1.39万余人，给美“王牌军”陆战第1师以沉重打击。
新中国成立后，宋时轮是中国军事百科事业的奠基人之一，兼任过全军军史暨战史编审委员会副主任委员、中国大百科全书总编辑委员会副主任和军事卷编审委员会主任、中国军事百科全书编审委员会主任等职务。在他的组织领导下，高质量地完成了《中国军事百科全书》的编纂任务，填补了中国军事科学研究领域的一个空白，为中国军事百科事业作出了重大贡献。
1955年，被授予中国人民解放军上将军衔，获一级八一勋章、一级独立自由勋章和一级解放勋章。
1988年，获一级红星功勋荣誉章。
中国人民政治协商会议全国委员会原副主席宋任穷、中华人民共和国全国人民代表大会常务委员会原副委员长廖汉生、中共中央军事委员会原副主席张震等三位开国将军曾撰文评价：宋时轮既是一位功勋卓著的战将，又是一位军事教育训练专家、军事科技研究工作的卓越领导者和造诣颇深的军事理论学者，对革命战争和中国人民军队建设作出了重要贡献。
中国人民解放军海军航空兵司令员曾克林：宋时轮知识渊博、谈吐幽默、党性坚强、品德忠厚、指挥才能卓越。
人民日报：宋时轮为中国人民的解放事业和人民武装力量的建设，贡献了毕生的精力，建立了不可磨灭的功勋。
