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。国共内战爆发后任山东野战军参谋长，因为泗县失利撤职。之后宋时轮出任渤海军区副司令员，1947年2月担任华东野战军第十纵队司令员，第十纵队在豫东战役中阻击邱清泉部，保障了战役的顺利进行，当时国军流传：“排炮不动，必是十纵”。随后十纵参加了济南战役攻城战和淮海战役。淮海战役中，宋时轮与刘培善统一调度第7、第10、第11三个纵队阻击邱清泉、李弥等对黄百韬兵团的增援，有力保障了华野主力对黄百韬兵团的围歼。1949