Quân đội Nhân dân Việt Nam tuyên bố chiến thắng[9] và cho biết đã loại khỏi vòng chiến đấu 1.258 lính (trong đó có 255 bị bắt); thu trên 300 súng các loại gồm 20 trung liên, một đại liên, 76 tiểu liên, năm súng cối, 229 súng trường, 28 súng ngắn; và 20 tấn quân lương, 11 tấn đạn dược. Riêng hướng chính tiêu diệt 476 lính, bắt 42 lính. Từ khi nổ súng (29 tháng 9 đến 31 tháng 10) đã đánh 16 trận công đồn, sáu trận phục kích, ba trận tao ngộ, hai trận đánh quân nhảy dù, hai trận truy kích. Qua 29 trận đánh trên các hướng, đã diệt chín đại đội địch, diệt sáu cứ điểm Than Thuộc, Hua Tà, Ca Vịnh, Bản Tu, Tan Man, Pa Pé, bức rút tám vị trí Thượng Bằng La, Đồng Bò, Đèo Pho, Khe Tùa, Cốc Báng, Cửa Nhì, Khang Tiêu, Sài Lương. Giải phóng một vùng rộng lớn từ Quang Huy lên Ca Vịnh, Ba Khe, Sài Lương và từ Phong Tô qua Bình Lư tới Than Uyên.

Nhưng chiến dịch cũng bộc lộ những khuyết điểm chính là: công tác chuẩn bị thiếu chặt chẽ, không giữ được bí mật nên sớm bị Pháp phát hiện được ý định. Đại đoàn 312 chưa quen điều hành nên gặp khó khăn, lúng túng. Lê Trọng Tấn, Tư lệnh đại đoàn cho rằng: "Việc di chuyển bộ đội quá chậm, nên địch đã biết và chuẩn bị đối phó. Từ Yên Bái vào Nghĩa Lộ, ta mất năm ngày hành quân vất vả, nhưng địch tăng cường quân dù từ Hà Nội lên chỉ mất một giờ! Tây Bắc là địa hình rừng núi, nhưng trong thực tế, bộ đội ta đánh nhau với quân dù trên đồng ruộng ban ngày như ở chiến dịch Trung Du, có pháo binh và không quân yểm trợ, chúng vẫn gây cho ta nhiều khó khăn thiệt hại. Ở địa bàn này tiếp tế cho bộ đội bằng quang gánh của dân công trên hàng trăm km vẫn là vấn đề nan giải. Trước khi mở chiến dịch đại đoàn chưa nhìn thấy hết những khó khăn này"[10]

Theo hồi ký của Đại tướng Võ Nguyên Giáp thì: "Anh Lê Trọng Tấn từ Tây Bắc trở về báo cáo với Bộ, chiến dịch Lý Thường Kiệt đã thất bại. Ta diệt và bắt khoảng 500 quân địch, không rõ số bị thương, nhưng lực lượng ta bị tiêu hao nhiều: 253 hi sinh, 964 bị thương, 87 mất tích. Anh Tấn tự nhận là lần đầu chỉ đạo một chiến dịch nên còn nhiều sai sót... Nhìn chung cả nước, nửa cuối năm 1951, địch đã giành thắng lợi trên mặt trận vùng địch hậu, một thắng lợi chúng chưa hề có được những năm trước đó... Về so sánh lực lượng ta vẫn ở thế yếu. Địch không những đông về số lượng mà còn hơn hẳn về vũ khí, trang bị mọi mặt. Nhưng với khối chủ lực hiện có, số lượng tương đương với khối cơ động của địch, chúng ta vẫn có thể tạo thời cơ giành thắng lợi trên chiến trường chính, chỗ mạnh của ta là hoàn toàn chủ động tiến hành những trận đánh do ta lựa chọn"[11]

Tháng 12 năm 1951, Chủ tịch Hồ Chí Minh gửi thư cho toàn thể cán bộ, chiến sĩ Đại đoàn 312, khen ngợi thành tích trong Chiến dịch và căn dặn cán bộ chiến sĩ rút kinh nghiệm, sửa chữa khuyết điểm, phát triển ưu điểm.[12]

Sau vụ tấn công hồi tháng 10-1951, Quân đội Nhân dân Việt Nam vẫn không bỏ ý định chiếm Nghĩa Lộ bởi đây là nút chặn quan trọng trên đường tiếp tế vùng tây bắc Việt Nam, vì vậy tháng 10 năm 1952, Quân đội Nhân dân Việt Nam lại kéo các đại đoàn 308 và đại đoàn 312 về khu vực đó trong chiến dịch Tây Bắc, và lần này thì Nghĩa Lộ đã thất thủ (Xem Trận Nghĩa Lộ (1952)).