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。
9、 化敌为我
1947年6月9日，陈毅接见了在孟良崮战役中被我军俘虏的74师将级军官。当时华野政治部组织这些军官举行时事座谈会，陈毅同与会者会见，一一握手表示慰问。
陈毅对在座的军官表示：“对于各位此来，我应负责照料大家，爱护大家。贵师长张灵甫、副师长蔡仁杰之牺牲，毫无意义，应该惋惜。各位留在解放区内好好研究问题，重新认识问题，各位应视为平生最大幸事。我们能帮助你们的地方，一定尽量帮助你们，绝不为难。”会后，陈毅与他们共进晚餐。（《陈毅传》第7章第6节）
陈毅对74师被俘军官坦诚、热情的态度，令他们深受感动。后来这些人被转送到渤海军区庆云县境内，与鲁南、莱芜等战役中被俘的国民党将校们集中，组成“华东解放军官教导团”，接受教育，进行改造。我军的宽大政策和深入的思想政治工作使这些国民党军官思想产生了深刻变化。在反省自身的同时，他们也以自己在军事业务上的专长，向我军提出建议，帮助我军指挥员提高战术水平。华东野战军首长非常重视这些意见，将其汇集整理，通报给各纵队。
在战争中融化俘虏，改造俘虏，补充部队，是华东野战军的一项重要工作。陈毅对此极为重视。据华野政治部统计，解放战争第一年，我军歼灭国民党军8个师、29个旅共43万人，俘虏国民党军官兵26万人。除少数军官送后方学习改造，部分伤兵、身体条件差的释放外，绝大部分都补入我军备部队。因为每次战役，各纵队都会有程度不同的伤亡，把国民党军俘虏兵补充进部队是保持我军建制完整、恢复战斗力的必要措施。
陈毅在回顾解放战争初期的情况时说：“每一战役后，每个团要补充1000多俘虏兵。俘来后就给发枪打仗。我们融化俘虏有一套经验：一是用老解放战士争取俘虏兵；二是用翻身农民战士教育俘虏；三是不搜他们的腰包，失掉东西给一定的赔偿；四是民工教育俘虏。我军每团部有二三百民工，他们有四五十岁的老农民。他们虽不洗面，手脚很黑，穿着便衣，但经过减租减息与土地改革，阶级觉悟很高，时事政治都了解。利用他们向俘虏兵宣传教育，使俘虏兵感觉了不起，一个老百姓知道的东西这样多，往往比指导员或高级干部的讲话作用还大。再经过评功记功，给他们挂上红布条，升为班长，他们就高兴得很：‘在蒋介石那里，当兵一辈子升不了，到解放军不几天就升了班长。’我们很多指挥员愿意要解放战士，不要翻身农民。因为解放战士听指挥、有战斗经验，认为翻身农民到部队给你讲民主，有时开小差，很难侍候。但解放战士在打胜仗时没有问题，一到艰苦时候就开小差。如华中撤退，反攻转移，解放战士就大批开小差，而翻身农民很少，甚至没有。我们补兵员十分之三是翻身农民，十分之七是解放战士。有些部队则不要，以翻身农民同别人换解放战士。后来因在困难时期解放战士逃跑多，大家不愿要解放战士了。最好的部队补兵比例是翻身农民十分之四，解放战士十分之六。一年来，我们补充了20万解放战士，12万翻身农民。”（陈毅：《一年来自卫战争总结》）
孟良崮战役结束后，74师的俘虏被转送到后方，经过审查、集训，再分配到各纵队，经历了一个曲折的过程。
最终使这些“解放战士”的思想觉悟有了很大提高。他们真正明白了当兵是为谁打仗，找到了自己的奋斗方向。华东野战军在解放战争过程中，注重融化、改造国民党军俘虏，将其源源不断补充到我军部队中。保持和提高了我军的战斗力，又使国民党军队质量不断下降。力量对比的天平越来越向我军倾斜。化敌为我，让“解放战士”成为我军的战斗骨干，发挥作用，关键在于从思想上把他们转变为自觉为人民利益而战的无产阶级战士。这是我军思想政治工作的重大成绩，也是我军战无不胜的根本原因。
10、 水中架起一座“人桥”
山东解放区的人民群众，积极支援华东野战军进行孟良崮战役。正如后来粟裕在其战争回忆录《英雄孟良崮》一章中这样说道：胜利归功于广大人民的支援。
战役发起前，鲁中人民群众实行空舍清野，给敌人造成很大困难，战役中有20多万民工大力支前，对战役胜利，作出巨大贡献。没有老解放区地方党和政府领导下的支援，胜利是不可能的。
鲁南地方兵团各地广大民兵，对配合战役取得胜利起了很好的作用。战役期间，从渤海地区向鲁中地区调运粮食1500万公斤，鲁南各地向鲁中地区调运粮食2000万公斤。战斗在兵工战线上的广大干部和工人，加班加点，昼夜不停地生产武器、弹药。
1947年4月，胶东兵工四厂把月产4000发82迫击炮弹猛增到月产3万发。因此，荣获集体一等功。战区所在地的人民政府积极组织群众修路、架桥。沂南县组织临（沂）蒙（阴）公路两侧地区群众，在3天内冒雨抢修公路100公里、桥梁40多座。
在孟良崮战役打响的第2天，一座通往战区的木桥被国民党军飞机炸毁。为保证军用物资的前送和伤员的后运，群众纷纷跳入水中，肩扛桥板，架起了一座“人桥”。
由7.6万随军民工，15.4万二线常备民工和69万临时民工组成的庞大民工队伍，在国民党军飞机、炮火的威胁下，日夜不停地抢运伤员，源源不断地运送弹药、粮食，为战役的胜利作出了重大贡献。
11、 盘点
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）；第三，这个打击出现于全解放区全面反攻的前夜。在这个胜利的同时，东北、豫北、晋南、正太等地，强大的反攻正在展开”。（新华社：《祝蒙阴大捷》，1947年5月20日）孟良崮战役的胜利，极大地鼓舞了华东解放区军民的战斗意志和胜利信心。
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）