1957年11月，宋时轮调北京协助叶剑英元帅筹建军事科学院。1958年3月，军事科学院正式成立。宋时轮作为第一副院长兼外国军事研究部部长，十分关心从根本上提高全军中、高级干部的军事理论素养。他不仅通过写文章、讲课和召开学术讨论会等方式进行这方面的引导，而且还亲自二次领导和主持译校、出版马恩列斯军事文选(文集)，为全军干部的军事理论教育提供了权威性的教材。
1961年，根据中央军委赋予的任务，他领导、主持选编、出版了三卷本的《马克思恩格斯军事文选》。粉碎“四人帮”后，他又针对“四人帮”及其一伙对马列主义军事理论的歪曲破坏，先于1977年，提出并领导编辑、出版了一本《马克思恩格斯列宁斯大林军事文选》，后于1981年，领导编辑、出版了一套五卷本的《马克思恩格斯军事文集》、一本《列宁军事文集》和一本《斯人林军事文集》。在领导和主持译校、选编、出版这些文选、文集中，他着重抓了三件工作。
首先是大力提高课题组人员对译校、选编工作的自觉性。每次布置任务后，他都反复向课题组人员讲述进行该项工作的重要意义：第一次选编工作时间紧、难度大，他对课题组的同志说：“我军的大部分中高级干部，过去几十年戎马倥偬，无暇集中精力系统读书。抗美援朝结束后，环境相对稳定，这就有可能让他们坐下来认真地钻研一些问题，以便把多年来在实践中获得的感性认识提高一步。我们编马恩列斯军事文选，就是为了给这些决定我军未来命运的将领们提供权威的理论粮食。”这些讲话使课题组的同志很快提高了对工作的责任心和紧迫感。
第二是具体指导广泛搜集马恩列斯的军事文章。在编辑出版《马克思恩格斯军事文集》时，他不仅明确指出，《文集》能否编好，关键在于文章搜集是否齐全，而且针对当时工作上的困难，指导大家广泛查阅有关的出版物，组织专人翻译尚未译出的文章等，完成好编辑出版任务。
第三是始终严把译校工作的质量关。他向课题组人员反复讲述保证译校质量的极端重要性，并亲自审阅译校后的文稿。这些工作有效地保证了三次译校、选编、出版工作的顺利进行和质量。80年代中期，民主德国马克思列宁主义研究院副院长海因里希·格姆科夫在中共中央马恩列斯著作编译局看到五卷本的《马克思恩格斯军事文集》时，热情地称赞道：现在世界上真正下功夫研究马克思列宁主义军事理论的，是你们中国同志。摆在我面前的这部选文如此丰富的《文集》就是证明。希望你们能送我一套，我带回去陈列在图书馆里，好供更多的人阅读和研究。宋时轮精心领导选编的这些大部头理论典籍，在国际学术交往中也发挥过重要作用。
早在60年代初，宋时轮就提出“要编写研究毛泽东军事思想的统一文献”。可以说，他生命的最后十多年，把主要精力都放在了研究和宣传毛泽东军事思想上。这项宏伟的学术工程，包括《毛主席关于人民军队人民战争及其战略战术论述摘录》、《毛泽东军事文选》(内部本)、《毛泽东军事思想初探》、《毛泽东军事思想的形成及其发展》、《毛泽东军事文集》，还有研究毛泽东军事辩证法的论文集，等等。这些文献和著作，反映了毛泽东军事思想的内容和思想体系，论述了毛泽东军事思想的产生、形成和发展，并联系当代实际，阐明了毛泽东军事思想的现实指导意义。宋时轮用他辛勤的学术劳绩，实践了他自己庄严而神圣的夙愿。
同时，他应用毛泽东军事思想的立场、观点和方法，组织编写和修订了我军的战略学、战役学、军制学、共同条令、合成军队各级战斗条令、政治工作条例、司令部工作条例，编纂了我军战史，领导编辑出版了我军军语和中国大百科全书军事卷。1980年，他提出的《关于战略方针问题的建议》，被中央军委采纳。后来，他又连续发表了《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》等研究报告，把运用毛泽东思想探讨现代条件下人民战争的战法研究，推向一个新的高度。
他的这些著作和领导学术研究的成果，为后人留下了可贵的精神财富，提供了宝贵的学习文献。
宋时轮在领导编写《战役学》这样带有条令性质的重要军事著作时，再三强调，编写条令要“以毛泽东思想为指针”，即要以毛泽东思想的立场、观点和方法去研究战役的客观实际，找出其规律，概括成理论，用以指导战役作战，不提倡到处引用毛泽东著作的原话。
执笔起草《战役学》的同志，在当时那种政治气候下，写中国人民解放军的创建时，用了“毛泽东同志创建了人民解放军”的提法；写中国共产党的正确路线时，用了“毛泽东同志为党制定了正确路线”的提法。在主持修改《战役学》时，中肯地对大家说：中国人民解放军(红军)不是毛泽东同志一个人创建的，也不是他一个人指挥的，党的路线更不是他一个人制定的。我军是在“党和毛泽东思想的领导和抚育下，由小到大，由弱到强的。”后来《战役学》的有关部分按宋时轮的意见在文字上作了修改，既强调了毛泽东思想的作用，又避免了突出个人。这三个问题虽是提法的修改，反映的却是以历史唯物主义还是以历史唯心主义的态度对待历史的问题。宋时轮实践了“彻底的唯物主义者是无所畏惧地”这一马克思主义的真言。尽管经历了折磨，但他始终没有改变自己的观点，并终于获得了肯定。
在军事科学院编写我军第一代《中国人民解放军司令部工作条例》的过程中，关于写不写“平时司令部工作”和“平时转战时的司令部工作”问题，课题组内争论很大。有的同志认为，我国现处在和平时期，司令部的主要工作都是平时的，因此在《条例》中应当写“平时司令部工作”的有关内容；有的同志认为，军队的主要任务是作战，因此，在《条例》中应重点规定战时司令部的工作。两种意见争执不下，很难统一，大家决定上报院首长审定。
宋时轮连夜审阅了上报材料，第二天就找课题组的几位同志谈话，他首先指出这个问题实际上是对我军职能和国际形势的认识问题。他说：打仗是军队的根本职能。军队工作可分为两大部分，一是作战，二是作战准备。所谓平时的司令部工作，其实质也是作战的准备工作。在现代条件下，敌人发动侵略战争都是从突然袭击开始的。因此，司令部在平时就应做好作战准备。接着，他联系多年来司令部工作受到削弱、事务性工作太多的状况指出，在和平环境下，更应该使司令部保持高度的战备状态，才能随时应付敌人可能发动的突然袭击。最后，他告诫大家，《条例》不仅具有法规性，而且具有导向作用，如果我们在其中写上“平时”或“平转战”一章，则容易造成一种错误的导向，使部队认为我们目前主要工作是完成平时的任务，一旦战争爆发，那时再进行战争准备也不迟。这样做的后果是非常严重的，它将会给我们的国家和人民带来巨大的灾难。
课题组的同志认真学习以上讲话后，很快统一了思想认识，写好了这一问题。《条例》下发后，受到了部队的普遍称赞。大家认为，这对指导司令部做好工作，使其充分发挥职能作用，将具有十分重要的意义。
1982年1月8日，宋时轮召集军制部的部、室领导同志开会，明确提出了创写《军制学》的任务。宋时轮说：搞《军制学》，准确些说，不是编写，而是“创写”。我们还没有现成的《军制学》，要靠你们自己去占有材料，提出问题，解决问题，找出我国军事组织体制、军队体制编制、军队管理制度以及其他军事制度的发展规律，创写成为系统的学术著作。
根据宋时轮的指示，军制部发扬民主，反复研究如何完成好这项任务。讨论中，大家都产生了一种强烈的使命感、光荣感，同时也提出了一些不大清楚的问题，诸如，《军制学》应该包括哪些内容，其理论体系是什么，我们是写国家的还是写军队的《军制学》，等等。带着这些问题，军制部部、室领导同志于1982年3月9日专门向宋时轮请示。宋时轮听了汇报后说：编写军制学，是为了指导国家的军事制度建设，不光是为了军队的制度建设，应写整个国家的军事组织体制和工作制度的理论。军制，从狭义上讲，指的是军队制度，属军队建设问题；从广义上说，应该包括整个国家的军事制度，属整个国家的军事建设问题，当然，其中军队是骨干。我们必须站在国家的立场，从整个国家来考虑。这个基本观念一定要搞清楚。接着，他对大家提出的有关军事体制、军队体制编制、武器装备发展和管理、军队干部、兵役、动员、民防等一系列问题，一一作了解答。宋时轮旁征博引，深入浅出，一口气谈了近3个小时。大家对老首长深厚的军事理论修养、丰富的军事知识和严密的思维逻辑十分敬佩，讲话中，宋时轮还一再告诫，不要急于动笔，不要马上陷到写作中去。首先要读书，要学习，要认真学习马列主义、毛泽东思想关于国家、政治、经济和军事的学说，学习他们的有关军事著作。要深入调查研究，向总部和部队请教，广泛而充分地占有材料，认真研究和消化材料。要搞清军制学要研究些什么问题，要把军事制度各方面的问题搞懂，找出规律。
在院党委和宋时轮等院首长的亲切关怀和直接领导下，依靠军制部全体同志的努力，一部由徐向前元帅亲笔题写书名的《国家军制学》终于在1987年问世了。当这本书送到宋时轮手中时，他十分欣慰，深情地感叹道：真不容易啊!《国家军制学》的问世，是军制研究部全体同志集体攻关的结果。大家一致认为，研究成品中凝聚着宋时轮等院首长的大量心血。
1980年1月4日，中央军委根据党中央、国务院关于编纂出版《中国大百科全书》批示的精神，决定由军队承担编纂《中国大百科全书·军事》卷的任务。军事科学院院长宋时轮受命领导此项工作。在他的领导下，我军的百科事业经过艰难创业，取得了丰硕的成果。不仅完成了《中国大百科全书·军事》卷学科分册和两卷本的编纂出版任务，结束了我军没有自己的现代型军事百科全书的历史，填补了军事科学研究领域的许多空白；而且全面开展了第一部军事专业百利、全书即《中国军事百科全书》的编纂工作；一些单位和部门还进行了专题百科全书、百科辞典、百科年鉴、百科从书的编纂工作。
在兼任中国大百科全书总编辑委员会副主任、中国大百科全书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期间，宋时轮常常是节假日不休息，加班加点开夜车，有时晚上加班，躺在藤椅上思考问题时就睡着了，有时甚至工作到天亮，刚躺下不久又立刻起床。那时，他已是70多岁的高龄，身体还有多种疾病。有时累得精疲力尽，还喘不上气来，他也不放在心上。医生劝他住院，他总是一笑了之。身边工作人员为此曾多次给他提意见，他常是恳切地对大家说：“我年龄大了，剩下的时间不多了，不知哪一天就要去见马克思了。你们还是让我多干一点工作吧。”
宋时轮为开创我军百科事业废寝忘食的工作精神令人敬佩，他所建树的辉煌业绩是对我军军事科研工作的又一历史贡献。