抗美援朝战争开始后，宋时轮被任命志愿军第9兵团司令员兼政委，率部赴朝作战。在北京面见毛泽东时，毛泽东风趣地对宋时轮说：“我不会遥控你，我们要你去朝鲜，是用人之长，你要对付的是美国陆战第1师”。在入朝之前，宋时轮要求部队大力研究美军的战术特点，不断提高我军指挥员的军事素质，要把纸老虎当铁老虎打。他给团以上干部作报告，介绍美军的战术特点，讲解我军对美军作战的战术要领。在他的指导下，兵团各级指挥员的军事素质迅速提高，为作战胜利提供了重要保证。1950年11月7日，第9兵团第20、26、27军在夜幕下隐蔽入朝，徒步穿行于高山密林中。21日，15万人秘密集结到长津湖等地区，在美军眼皮底下而未被发现，后被西方军事学家称为“当代战争史奇迹之一”。此时天降大雪，到27日志愿军发动进攻时，气温降到零下40多摄氏度。是役，第9兵团第27军全歼“联合国军”美第7师第31团（加强团），创造了我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，共歼敌1.39万余人，给美“王牌军”陆战第1师以沉重打击。毛泽东盛赞：第9兵团“在极困难条件之下，完成了巨大的战略任务”。
宋时轮征战一生，有着爱兵如子的名将风范。抗美援朝初期，由于美军的封锁，后勤供应不上，部队严重缺粮，有时一天只能吃上一顿稀饭，不少战士得了浮肿病、夜盲症。宋时轮得知情况后痛心地说：“绝不能让战士们饿着肚子打仗！”他采取各种措施，想尽一切办法让干部战士吃饱。悲壮的长津湖之战中，第27军80师242团第5连，除一名掉队者和一个通信员之外，全连干部战士呈战斗队形全部冻死在阵地上，这成为将军心中永远的痛。1952年9月，第9兵团从朝鲜回国，车行至鸭绿江边，宋时轮要求司机停车，下车后他向长津湖方向默立良久，然后脱帽弯腰，深深鞠躬。当他抬起头来时，警卫员发现，满头花白的将军已是泪流满面，不能自持。
