1937年，抗日战争爆发后，红军的主力部队被重新编制，组成了八路军的115师、120师和129师。115师主要由红1军团和红15军团改编而成；120师则是由红2军团、红6军团，以及红27军和红28军的部分部队组成；而129师则是由四方面军的4军和31军，陕北的红军29军和30军，及第十五军团的骑兵团等部队合并而来。

经过整编，原来的军职、师职和团职等级都下调了一级，很多指挥员的职务也发生了变化。比如，曾经担任红28军军长的宋时轮，职务被降为120师358旅716团的团长，这也让他成为少数几位职务从军长降至团长的高级将领之一。宋时轮在红军中有着较长的服役历史，早在1931年就担任过军参谋长，之后他历任部队缩编后的独立师参谋长、师长，也曾在红军学校担任教员。大转移时，他加入了红军干部团，随着部队进军陕北，宋时轮被重新启用，调任红15军团担任作战科长，协助参谋长负责部队作战事务。1936年4月14日，红28军的军长刘志丹牺牲后，宋时轮接替了宋任穷担任军长，领导西征作战。

随着抗战爆发，红二方面军的兵力重新编成120师，因此需要从其他地方补充兵员，陕北的红27军和红28军也被编入了120师。红28军成立之初，兵力较少，只有约1200人，下辖三个团，部队规模甚至比解放战争时期的一个团还要小。然而，在当时兵力紧张的情况下，这支不足一千五百人的部队仍能发挥出强大的战斗力。宋时轮担任团长的时间不长，就组建了宋支队，率领部队挺进雁北地区开辟根据地。支队的级别与旅相当，宋时轮因此升任旅级职务。1938年，上级命令宋支队进军冀东地区开辟新根据地，与邓华支队合并，成立了八路军第十纵队，宋时轮担任纵队司令。由于冀东平原地形复杂，部队的开辟根据地受到了很大阻碍，因此他们最终撤回了平西地区。

然而，由于缺乏在平原上长期作战的经验，加上当地敌人的暴动武装力量庞大且缺乏统一领导，再加上物资匮乏，宋时轮的部队最终未能在冀东扎稳脚跟，最后被迫撤回平西。后来，宋时轮因身体原因离开了前线，前往延安进行休养和学习。直到抗战胜利后，他才被派往山东工作，先后担任了山东野战军参谋长、军区司令、纵队司令和兵团司令等职务。