定陶战役，我军以伤亡3500人的代价，全歼整编第3师等部4个旅，毙伤5000余人，俘虏12000余人。缴获坦克6辆、各种炮200余门、步枪4300多支和大批弹药物资。这一仗打垮了国民党军钳形攻势的西路钳头，沉重打击了国民党军进攻解放区的气焰。
这次影响重大的战役，被誉为“集中优势兵力各个歼灭敌人”的模范战例。
延安窑洞，毛泽东收到了刘伯承关于定陶战役的战果报告。毛泽东笑着说：“伯承同志好打险战，弄得我几个晚上没睡好。我们兵力少，装备差，但伯承同志的装备好嘛，蒋委员长刚打过来，他就张开口袋和铡刀恭候。”
1946年9月7日13时，毛泽东致电刘伯承、邓小平，电文说：“庆祝你们歼灭整3师的大胜利，望传令全军嘉奖。”
定陶战役的胜利，使各战场人民解放军军心大振。4天之后，即1946年9月12日，《解放日报》发表了题为《蒋军必败》的社论，对这次战役的胜利及其影响作出了评价：
……这是继中原我军突围胜利与苏中大捷之后又一次大胜利，这三个胜利对于整个解放军的南方战线起到了扭转局面的重要作用。蒋军必败，我军必胜的局面定了下来。
9月13日，中共中央又发出通报说：
此次刘邓军五万人打敌第3师两个旅九千人，从3号黄昏打起至6号上午始解决1个旅，引起敌人全线恐慌，另一个旅于6号下午突围时，被我以半日时间解决。7号上午47师两个旅增援赶到，我又以一天时间解决该两个旅。此外尚解决41师及74旅各一部。这一经验告诉我们：第一必须集中优于敌人五倍或四倍至少三倍的兵力，首先歼灭敌1个团至2个团，振起我军士气，引起敌人恐慌，得手后再歼敌第二部、第三部，各个击破之。切不可贪多务得，分散兵力。
孙震的参谋长胡临聪在他的回忆录中这样评述定陶战役后国共双方的境况：
在刘峙调职后，赵子立对我谈到整3师惨遭歼灭的情形时，除了承认自己由于轻敌和所说“非一团不守，非三团不攻”的原则是一种错误之外，并不胜感慨地说：“老的老，小的小；无所依靠，无人照看，得此结果，势在必然！”其意是指蒋介石专信陈诚，而当时何应钦又以参谋团团长身份而去了美国。由于何、陈两人一惯的矛盾，今值陈诚当权，乘机撤刘，何远在美国，无从在蒋面前为刘说话，因而只有听其撤换而已。
从这一战役中，刘伯承司令员所指挥的人民解放军的胜利，国民党第5绥区3个旅的被歼灭，刘峙被撤职，这就预示着国民党反动派最后必然灭亡，人民革命最后必然取得全胜！