定陶戰役，我軍以傷亡3500人的代價，全殲整編第3師等部4個旅，斃傷5000餘人，俘虜12000餘人。繳獲坦克6輛、各種炮200餘門、步槍4300多支和大批彈藥物資。這一仗打垮了國民黨軍鉗形攻勢的西路鉗頭，沉重打擊了國民黨軍進攻解放區的氣焰。
這次影響重大的戰役，被譽為「集中優勢兵力各個殲滅敵人」的模範戰例。
延安窯洞，毛澤東收到了劉伯承關於定陶戰役的戰果報告。毛澤東笑著說：「伯承同志好打險戰，弄得我幾個晚上沒睡好。我們兵力少，裝備差，但伯承同志的裝備好嘛，蔣委員長剛打過來，他就張開口袋和鍘刀恭候。」
1946年9月7日13時，毛澤東致電劉伯承、鄧小平，電文說：「慶祝你們殲滅整3師的大勝利，望傳令全軍嘉獎。」
定陶戰役的勝利，使各戰場人民解放軍軍心大振。4天之後，即1946年9月12日，《解放日報》發表了題為《蔣軍必敗》的社論，對這次戰役的勝利及其影響作出了評價：
……這是繼中原我軍突圍勝利與蘇中大捷之後又一次大勝利，這三個勝利對於整個解放軍的南方戰線起到了扭轉局面的重要作用。蔣軍必敗，我軍必勝的局面定了下來。
9月13日，中共中央又發出通報說：
此次劉鄧軍五萬人打敵第3師兩個旅九千人，從3號黃昏打起至6號上午始解決1個旅，引起敵人全線恐慌，另一個旅於6號下午突圍時，被我以半日時間解決。7號上午47師兩個旅增援趕到，我又以一天時間解決該兩個旅。此外尚解決41師及74旅各一部。這一經驗告訴我們：第一必須集中優於敵人五倍或四倍至少三倍的兵力，首先殲滅敵1個團至2個團，振起我軍士氣，引起敵人恐慌，得手後再殲敵第二部、第三部，各個擊破之。切不可貪多務得，分散兵力。
孫震的參謀長鬍臨聰在他的回憶錄中這樣評述定陶戰役後國共雙方的境況：
在劉峙調職後，趙子立對我談到整3師慘遭殲滅的情形時，除了承認自己由於輕敵和所說「非一團不守，非三團不攻」的原則是一種錯誤之外，並不勝感慨地說：「老的老，小的小；無所依靠，無人照看，得此結果，勢在必然！」其意是指蔣介石專信陳誠，而當時何應欽又以參謀團團長身份而去了美國。由於何、陳兩人一慣的矛盾，今值陳誠當權，乘機撤劉，何遠在美國，無從在蔣面前為劉說話，因而只有聽其撤換而已。
從這一戰役中，劉伯承司令員所指揮的人民解放軍的勝利，國民黨第5綏區3個旅的被殲滅，劉峙被撤職，這就預示著國民黨反動派最後必然滅亡，人民革命最後必然取得全勝！