在我攻擊集團圍殲整編第74師的同時，阻援部隊對援敵展開了頑強的阻擊戰。阻援戰鬥則是艱苦的陣地防禦戰，我軍利用既設野戰工事進行了頑強的阻擊，像一座座堅固的堤壩，擋住了敵人一波又一波的衝擊。使國民黨各路援軍不能前進，即使前進亦進展緩慢。
16日晨，國民黨軍的遠近援軍一個未到，整編第74師連連呼救。湯恩伯以近乎哀求的語氣向所部發出急令稱：「我張靈甫師連日固守孟良崮，孤軍苦戰，處境艱危。我奉令應援各部務須以果敢之行動，不顧一切，星夜進擊，破敵軍之包圍，救同胞於危困，以發揚我革命軍親愛精誠之無上武德與光榮。其有徘徊不前、見危不救者，絕非我同胞所忍為，亦恩伯所不忍言也。」（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
8時，蔣介石親自向山東戰場的國民黨部隊發布命令：「山東共軍主力已向我軍傾巢出犯，此為我軍殲滅共軍、完成革命之唯一良機。凡我全體將士，應竭全力，把握此一戰機，萬眾一心，協同一致，密切聯繫，協力邁進，各向當面之敵猛攻，務期殲滅共軍發揚光榮偉大戰績，以告慰總理及陣亡將士在天之靈。如有委靡猶豫、逡巡不前或赴援不力，以致友軍危亡，致使共軍漏網逃脫者，定必以畏敵避戰，縱敵害國，貽誤戰局，嚴究論罪不貸，希各奮勉勿誤。」（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
但是，無論是湯恩伯的哀求還是蔣介石的恐嚇，都未能使國民黨的援軍前進，都未能挽救整編第74師孤軍覆滅的命運。當16日下午第74師全部被殲時，其第5軍被華東野戰軍第10縱隊鉗制，剛由萊蕪南下；整編第11師被第3縱隊正面抗擊和側翼攻擊，還抑留在蒙陰以北；整編第65、第25師遭到第1、第6縱隊各一部的堅強阻擊，16日傍晚始佔領界牌，前進不到三五公里；第7軍和整編第83師遭到第2縱隊和第8縱隊一部的堅強阻擊，16日始佔領孫祖、桃花山一線，前進不到10公里；整編第20、第64師遭到魯南地方武裝的牽制抗擊，更沒有按時趕到青駝寺。
對華東野戰軍各部的頑強阻擊，國民黨軍第1兵團大傷腦筋，無能為力，連日多有記載。僅5月16日一天記述如下：「魯南軍區張光中部五千餘人」及「濱海支隊二三千人連日以來於臨沂大道及臨郯大道與臨沂湯頭大道兩側不斷襲擾，破壞我後方交通通信，經隨時由整57師及預2旅派隊驅逐」，唯共軍部地形熟悉，且得民眾之掩護，「彼來此往，我掃蕩部隊無日不在奔忙中」。「整64師由毛溝城附近向半城附近前進間午刻於方城西南遭遇……張光中部之襲擊，該師即變換正面展開於黃泥溝忠義山小義山朱嶺庄之間向西南壓迫攻擊之中」「整第25師……14時攻佔趙家店界牌」，共軍「不斷增援與我反覆爭奪界牌天馬山」「整25師及整65師一部仍在石岩山黃崖山界牌天馬山覆浮山之線」與共軍激戰。「第7軍第172師與整83師昨晚與增援之共軍戰鬥徹夜，本拂曉繼續由孫祖天馬山之線向北攻擊」，遭遇共軍之頑強抵抗。「整48師續向聖母蘇村方向攻擊」，當面之共軍「仍節節抵抗」。（《第一兵團蒙陰東南地區戰役戰鬥詳報》）
中央軍委對各阻擊部隊的作用給予高度評價，17日在給陳毅、粟裕電報中指出：這次敵65師、25師、83師離74師如此之近，作戰3天之久，你們以一部阻擊，敵均無法增援。