Chiến thắng tại Đồng Xoài đã vượt quá mong đợi của Bộ Tư lệnh Mặt trận Dân tộc Giải phóng miền Nam Việt Nam. Dù Quân giải phóng không giữ trận địa, họ vẫn giữ được vị trí, thế và lực ở chiến trường, ngoài ra còn đạt được mục tiêu gây tổn thất cho những đơn vị tốt nhất của Quân lực Việt Nam Cộng hòa. Quân giải phóng rút lui và mang theo một chiến thắng chiến thuật cũng như các cơ hội tuyên truyền. Theo Mặt trận, chiến thắng Đồng Xoài đã "thêm một trang vẻ vang vào lịch sử đấu tranh của Mặt trận Dân tộc Giải phóng miền Nam Việt Nam chống cuộc chiến tranh của Đế quốc Mỹ xâm lược".

Sau chiến thắng ở Đồng Xoài, quân giải phóng tiếp tục thực hiện đợt 3 chiến dịch, từ ngày 24-6 đến ngày 22 tháng 7 năm 1965. Trên hướng Đường 13, Trung đoàn Q762 tập kích một chiến đoàn hỗn hợp địch ở khu vực Bàu Bàng, loại khỏi vòng chiến đấu hơn 400 lính. Trên hướng Bù Đốp, Trung đoàn 273 tiến công trại huấn luyện biệt kích và chi khu Bù Đốp, diệt 2 đại đội, buộc địch phải rút bỏ cứ điểm Bù Gia Mập, tạo điều kiện hỗ trợ nhân dân địa phương nổi dậy phá ấp chiến lược, mở rộng vùng giải phóng, phát triển chiến tranh du kích ở hướng bắc Sài Gòn. Ngày ngày 22 tháng 7 năm 1965, quân Giải phóng chủ động kết thúc chiến dịch.

Sau hơn 2 tháng (10/5-22/7/1965) tiến công, chiến dịch Đồng Xoài kết thúc với thắng lợi của quân Giải phóng. Quân Giải phóng tuyên bố đã tiêu diệt 4 tiểu đoàn chủ lực, 24 đại đội bảo an và biệt kích, 6 chi đội cơ giới, 4 phân đội kĩ thuật, loại khỏi chiến đấu gần 4.500 quân địch, bắn rơi 34 máy bay, phá hủy 60 xe quân sự, 6 đầu máy và 12 toa xe lửa, thu và phá hủy hơn 2.000 súng các loại, giải phóng hơn 5 vạn dân hai tỉnh Bình Long và Phước Long, khai thông cửa khẩu biên giới sang Campuchia, nối liền hành lang chiến lược từ miền Bắc qua đường Trường Sơn vào miền Đông Nam bộ. Cùng với các trận Bình Giã, trận Ba Gia, thắng lợi của chiến dịch Đồng Xoài góp phần làm thất bại hoàn toàn chiến lược “chiến tranh đặc biệt” của Mỹ ở miền Nam; đánh dấu bước trưởng thành mới về trình độ tổ chức chuẩn bị và tác chiến tập trung của quân Giải phóng[2]

Trung đoàn Q762 của Mặt trận đã được Mặt trận gọi tên "Trung đoàn Đồng Xoài" sau cuộc chiến thắng quân sự này.