1985年3月，趙南起同志任解放軍總后勤部副部長兼副政治委員、總后勤部黨委副書記（1985年4月起）。1987年11月任解放軍總后勤部部長、總后勤部黨委書記。1988年4月任解放軍總后勤部部長、總后勤部黨委書記，中華人民共和國中央軍事委員會委員。在總后勤部工作時(shí)，他提出“以改革總攬全局”，全面推動(dòng)軍隊(duì)后勤改革。主持制定《軍隊(duì)后勤保障體制改革的總體方案》、《全軍后勤改革五年規(guī)劃》、《“八五”期間全軍后勤工作的基本思路》，確定在10年內(nèi)分三步走，實(shí)現(xiàn)全軍后勤保障工作根本好轉(zhuǎn)的目標(biāo)。這些我軍后勤建設(shè)目標(biāo)要求的提出并實(shí)施，使全軍后勤改革得以有序展開、整體推進(jìn)、健康發(fā)展，全軍后勤建設(shè)成效顯著，在積極“忍耐”中有所作為，確保了軍事經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益的提高，增強(qiáng)了后勤保障能力和軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。

趙南起同志善于總攬全局開拓創(chuàng)新。他提出將軍隊(duì)?wèi)?zhàn)略物資儲備與國家物資儲備緊密結(jié)合，縮減軍隊(duì)儲備規(guī)模，節(jié)省人力、物力、財(cái)力；軍隊(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)盡可能與國家統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一建設(shè)，走軍民兼容、平戰(zhàn)結(jié)合的發(fā)展路子；強(qiáng)化全軍后勤的作戰(zhàn)保障機(jī)能，倡導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)三級保障體系；在軍隊(duì)員額大幅精簡后，提出按照“加強(qiáng)、開放、看守、淘汰”的原則，調(diào)整后勤基礎(chǔ)設(shè)施，收縮后勤攤子，打破“大而全”、“小而全”的模式和自我封閉格局；堅(jiān)持走“科技興后勤”的路子，深化后勤科技體制改革，調(diào)整科技組織結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大科研單位自主權(quán)，建立科研成果開發(fā)轉(zhuǎn)化機(jī)制；為打破我軍長期沿用的按建制關(guān)系各成體系的保障體制，探索三軍大聯(lián)勤保障體制，大力推進(jìn)以“代供、代修、代醫(yī)”為主要內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)化劃區(qū)保障，先行試點(diǎn)、逐步展開，有效提高了后勤保障效能，為全軍大聯(lián)勤的全面實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

趙南起同志主張把“好鋼用在刀刃上”。他提出軍費(fèi)分配要確保部隊(duì)生活水平不下降、確保戰(zhàn)略預(yù)備隊(duì)和應(yīng)急作戰(zhàn)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力不降低，要向團(tuán)以下部隊(duì)傾斜、向裝備傾斜，大力壓縮基本建設(shè)規(guī)模、大力壓縮各項(xiàng)公務(wù)費(fèi)開支、大力壓縮集團(tuán)購買力。“七五”期間全軍裝備失修率每年遞增幅度較大，他向中央軍委提出建議，并千方百計(jì)籌措資金，解決了軍隊(duì)大型裝備庫房建設(shè)問題，為空降兵裝備了大型運(yùn)輸機(jī)，組織了空軍機(jī)場翻修和海軍軍港、基地整修工程，使多年制約軍隊(duì)發(fā)展的老大難問題得到解決。他心系基層官兵，提出對團(tuán)以上機(jī)關(guān)少搞“錦上添花”，對營以下部隊(duì)多搞“雪中送炭”，組織實(shí)施全軍營以下部隊(duì)營房綜合治理工程，到1992年三分之二的建制營搬進(jìn)了新營房，建立旅團(tuán)生活服務(wù)中心，既方便了連隊(duì)，又改善了生活。他協(xié)調(diào)安排專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，解決駐邊遠(yuǎn)地區(qū)部隊(duì)吃水、洗澡、照明、取暖等難題和駐青藏、新疆高寒地區(qū)部隊(duì)肉菜禽蛋自給問題。他主持制定《軍隊(duì)基層后勤管理暫行條例》并狠抓貫徹落實(shí)，到1991年年底全軍70%的基層單位后勤管理達(dá)標(biāo)。

趙南起同志推進(jìn)軍隊(duì)財(cái)務(wù)管理體制改革。他提出實(shí)行事業(yè)經(jīng)費(fèi)由業(yè)務(wù)部門和財(cái)務(wù)部門共同管理的“雙軌制”運(yùn)行機(jī)制，有效克服了財(cái)務(wù)管理上的分散主義、本位主義傾向，使軍費(fèi)使用管理逐步走上標(biāo)準(zhǔn)化、制度化軌道。他提出設(shè)立軍隊(duì)財(cái)務(wù)結(jié)算中心，有效發(fā)揮其聚財(cái)、生財(cái)、調(diào)劑、服務(wù)、監(jiān)督的綜合作用，提高了資金的使用效益和安全性。

趙南起同志無私無畏狠抓從嚴(yán)治軍。在整頓以贏利為目的的經(jīng)營性生產(chǎn)工作中，他深入調(diào)查研究，直面突出問題，主持制定了清理整頓軍隊(duì)生產(chǎn)經(jīng)營的方針政策，在中央軍委的領(lǐng)導(dǎo)下，對全軍生產(chǎn)經(jīng)營單位分三步進(jìn)行清理整頓。他主持開展全軍房地產(chǎn)、團(tuán)以上單位決算審計(jì)的清理整頓，組織全軍編外車輛、銀行賬號、油料供應(yīng)管理檢查清理，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和政治影響，實(shí)現(xiàn)了中央軍委提出的從嚴(yán)治軍目標(biāo)任務(wù)。

1992年10月，趙南起同志任解放軍軍事科學(xué)院院長、黨委書記，中華人民共和國中央軍事委員會委員（至1993年3月）。他提出發(fā)展中國軍事科學(xué)事業(yè)的新思路，確定史料的收集、匯編工作要與研究工作相結(jié)合，以研究工作為主；基礎(chǔ)理論、歷史研究要與國防建設(shè)、軍隊(duì)建設(shè)重大現(xiàn)實(shí)問題的研究相結(jié)合，以現(xiàn)實(shí)問題研究為主；注釋性、借鑒性、總結(jié)性的研究，要與面向未來、著眼發(fā)展的創(chuàng)造性超前研究相結(jié)合，以創(chuàng)造性的超前研究為主；低層次的一般性課題的零散研究，要與宏觀的戰(zhàn)略性課題的系統(tǒng)研究相結(jié)合，以宏觀的戰(zhàn)略性系統(tǒng)性研究為主。他倡導(dǎo)的“四個(gè)結(jié)合、四個(gè)為主”軍事科研新方法，受到中央軍委首長的充分肯定。僅1993年，軍事科學(xué)院重大現(xiàn)實(shí)課題研究就增加了66%，在“新時(shí)期軍事戰(zhàn)略方針論證”、“未來作戰(zhàn)問題研究”等重大課題中，軍事科學(xué)院都發(fā)揮了重要的理論支持和對策咨詢作用，使軍事科學(xué)院作為中央軍委決策咨詢機(jī)構(gòu)的職能得到強(qiáng)化。他主持拍攝的《較量——抗美援朝戰(zhàn)爭實(shí)錄》，獲得“1995年度中國電影華表獎(jiǎng)最佳紀(jì)錄片獎(jiǎng)”和“中國電影金雞獎(jiǎng)”。他堅(jiān)持尊重知識、尊重人才的理念，重視人才和學(xué)科建設(shè)，深化改革科研管理體制，要求各項(xiàng)工作以科研為中心，以科研工作和科研人員為主體，千方百計(jì)為科研人員營造良好、舒心的工作生活環(huán)境，特別是解決了住房難等問題，得到科研人員的高度贊揚(yáng)，至今仍傳為佳話。