此次戰役戰果輝煌。華東野戰軍共殲整編第74師師部、第51旅、第57旅、第58旅全部及整編第83師第19旅1個團，總計3.2萬餘人（其中俘虜1.9萬人）。繳獲山炮和野炮28門、步兵炮及戰防炮14門、各種口徑迫擊炮235門、輕重機槍987挺、長短槍9828支、火箭筒43具、槍榴筒及擲彈筒61具、各種炮彈7202發、各種槍彈208萬發、汽車3輛、馬1397匹、電台28部，擊毀擊傷坦克和裝甲車4輛。華東野戰軍傷亡1.2萬餘人（其中亡2043人），損耗輕重迫擊炮6門、輕重機槍153挺、長短槍531支、各種炮彈3.3萬發、各種槍彈199萬發、手榴彈2.9萬枚。國民黨軍與華東野戰軍人員損失對比為2.7：1。繳獲武器、彈藥與消耗損壞武器、彈藥相抵消後，華東野戰軍凈得山炮和野炮28門、步兵炮及戰防炮14門、輕重迫擊炮229門、輕重機槍834挺、長短槍9257支、火箭筒43具、槍榴筒及擲彈筒61具，得損耗各種炮彈2.6萬發，得各種槍彈9.5萬發。
此次戰役，華東野戰軍徹底粉碎了國民黨軍統帥部「魯中會戰」計畫，沉重地打擊了國民黨軍對山東解放區的重點進攻，極大地震動了其內部。蔣介石哀嘆：整編第74師被殲滅，「這是我軍剿匪以來最可痛心、最可惋惜的一件事」。（蔣介石對國民黨軍軍官訓練團第23期全體學員的講話，1947年5月19日）第1兵團司令湯恩伯被撤職，整編第25師師長黃伯韜、整編第83師師長李天霞等人也受到處分。
當時，新華社在《祝蒙陰大捷》的評論中指出：它有力地策應了陝北和其他戰場解放軍的作戰行動。它「在華東解放軍的歷史上更有特殊意義。因為：第一，這是打擊了蔣介石今天最強大的和幾乎唯一的進攻力量；第二，這是打擊了蔣介石的最精銳部隊（四、五個精銳師之一個）；第三，這個打擊出現於全解放區全面反攻的前夜。在這個勝利的同時，東北、豫北、晉南、正太等地，強大的反攻正在展開」。（新華社：《祝蒙陰大捷》，1947年5月20日）孟良崮戰役的勝利，極大地鼓舞了華東解放區軍民的戰鬥意志和勝利信心。
中央軍委高度評價孟良崮戰役的勝利，毛澤東5月22致電華野領導人：「殲滅74師，付出代價較多，但意義極大，證明在現地區作戰，只要不性急，不分兵，是能夠用各個殲擊方法打破敵人進攻，取得決定勝利。而在現地區作戰，是於我最有利，於敵最為不利。」（《毛澤東軍事文集》第四卷）