1950年朝鲜战争爆发，攻台计划搁置。宋时轮任中國人民志願軍副司令員兼第九兵团司令员和政治委员入朝参战，率旗下20、26、27军参与长津湖战役，中方宣稱第27军歼灭了美军第31团团部并其指挥的团级作战部队，缴获其团旗；彭德怀电贺：“嘉奖第9兵团，嘉奖第27军。”最终美军和志愿军都付出了惨痛代价，志愿军将美军赶出长津湖地区。宋时轮称长津湖战役“艰苦程度超过了长征”，第九兵团不得不休整四个月，随后参加第五次战役、1951年夏秋防御战役。