在我攻击集团围歼整编第74师的同时，阻援部队对援敌展开了顽强的阻击战。阻援战斗则是艰苦的阵地防御战，我军利用既设野战工事进行了顽强的阻击，像一座座坚固的堤坝，挡住了敌人一波又一波的冲击。使国民党各路援军不能前进，即使前进亦进展缓慢。
16日晨，国民党军的远近援军一个未到，整编第74师连连呼救。汤恩伯以近乎哀求的语气向所部发出急令称：“我张灵甫师连日固守孟良崮，孤军苦战，处境艰危。我奉令应援各部务须以果敢之行动，不顾一切，星夜进击，破敌军之包围，救同胞于危困，以发扬我革命军亲爱精诚之无上武德与光荣。其有徘徊不前、见危不救者，绝非我同胞所忍为，亦恩伯所不忍言也。”（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
8时，蒋介石亲自向山东战场的国民党部队发布命令：“山东共军主力已向我军倾巢出犯，此为我军歼灭共军、完成革命之唯一良机。凡我全体将士，应竭全力，把握此一战机，万众一心，协同一致，密切联系，协力迈进，各向当面之敌猛攻，务期歼灭共军发扬光荣伟大战绩，以告慰总理及阵亡将士在天之灵。如有委靡犹豫、逡巡不前或赴援不力，以致友军危亡，致使共军漏网逃脱者，定必以畏敌避战，纵敌害国，贻误战局，严究论罪不贷，希各奋勉勿误。”（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
但是，无论是汤恩伯的哀求还是蒋介石的恐吓，都未能使国民党的援军前进，都未能挽救整编第74师孤军覆灭的命运。当16日下午第74师全部被歼时，其第5军被华东野战军第10纵队钳制，刚由莱芜南下；整编第11师被第3纵队正面抗击和侧翼攻击，还抑留在蒙阴以北；整编第65、第25师遭到第1、第6纵队各一部的坚强阻击，16日傍晚始占领界牌，前进不到三五公里；第7军和整编第83师遭到第2纵队和第8纵队一部的坚强阻击，16日始占领孙祖、桃花山一线，前进不到10公里；整编第20、第64师遭到鲁南地方武装的牵制抗击，更没有按时赶到青驼寺。
对华东野战军各部的顽强阻击，国民党军第1兵团大伤脑筋，无能为力，连日多有记载。仅5月16日一天记述如下：“鲁南军区张光中部五千余人”及“滨海支队二三千人连日以来于临沂大道及临郯大道与临沂汤头大道两侧不断袭扰，破坏我后方交通通信，经随时由整57师及预2旅派队驱逐”，唯共军部地形熟悉，且得民众之掩护，“彼来此往，我扫荡部队无日不在奔忙中”。“整64师由毛沟城附近向半城附近前进间午刻于方城西南遭遇……张光中部之袭击，该师即变换正面展开于黄泥沟忠义山小义山朱岭庄之间向西南压迫攻击之中”“整第25师……14时攻占赵家店界牌”，共军“不断增援与我反复争夺界牌天马山”“整25师及整65师一部仍在石岩山黄崖山界牌天马山覆浮山之线”与共军激战。“第7军第172师与整83师昨晚与增援之共军战斗彻夜，本拂晓继续由孙祖天马山之线向北攻击”，遭遇共军之顽强抵抗。“整48师续向圣母苏村方向攻击”，当面之共军“仍节节抵抗”。（《第一兵团蒙阴东南地区战役战斗详报》）
中央军委对各阻击部队的作用给予高度评价，17日在给陈毅、粟裕电报中指出：这次敌65师、25师、83师离74师如此之近，作战3天之久，你们以一部阻击，敌均无法增援。