此次战役战果辉煌。华东野战军共歼整编第74师师部、第51旅、第57旅、第58旅全部及整编第83师第19旅1个团，总计3.2万余人（其中俘虏1.9万人）。缴获山炮和野炮28门、步兵炮及战防炮14门、各种口径迫击炮235门、轻重机枪987挺、长短枪9828支、火箭筒43具、枪榴筒及掷弹筒61具、各种炮弹7202发、各种枪弹208万发、汽车3辆、马1397匹、电台28部，击毁击伤坦克和装甲车4辆。华东野战军伤亡1.2万余人（其中亡2043人），损耗轻重迫击炮6门、轻重机枪153挺、长短枪531支、各种炮弹3.3万发、各种枪弹199万发、手榴弹2.9万枚。国民党军与华东野战军人员损失对比为2.7：1。缴获武器、弹药与消耗损坏武器、弹药相抵消后，华东野战军净得山炮和野炮28门、步兵炮及战防炮14门、轻重迫击炮229门、轻重机枪834挺、长短枪9257支、火箭筒43具、枪榴筒及掷弹筒61具，得损耗各种炮弹2.6万发，得各种枪弹9.5万发。
此次战役，华东野战军彻底粉碎了国民党军统帅部“鲁中会战”计划，沉重地打击了国民党军对山东解放区的重点进攻，极大地震动了其内部。蒋介石哀叹：整编第74师被歼灭，“这是我军剿匪以来最可痛心、最可惋惜的一件事”。（蒋介石对国民党军军官训练团第23期全体学员的讲话，1947年5月19日）第1兵团司令汤恩伯被撤职，整编第25师师长黄伯韬、整编第83师师长李天霞等人也受到处分。
当时，新华社在《祝蒙阴大捷》的评论中指出：它有力地策应了陕北和其他战场解放军的作战行动。它“在华东解放军的历史上更有特殊意义。因为：第一，这是打击了蒋介石今天最强大的和几乎唯一的进攻力量；第二，这是打击了蒋介石的最精锐部队（四、五个精锐师之一个
中央军委高度评价孟良崮战役的胜利，毛泽东5月22致电华野领导人：“歼灭74师，付出代价较多，但意义极大，证明在现地区作战，只要不性急，不分兵，是能够用各个歼击方法打破敌人进攻，取得决定胜利。而在现地区作战，是于我最有利，于敌最为不利。”（《毛泽东军事文集》第四卷）