Ngày 7 tháng 5 năm 1955, Tô Vĩnh Diện được Chủ tịch nước Việt Nam Dân chủ Cộng hoà Hồ Chí Minh trao tặng Huân chương quân công hạng nhì, Huân chương chiến công hạng nhất và được truy tặng danh hiệu Anh hùng lực lượng vũ trang nhân dân năm 1956.

Hiện nay, mộ Tô Vĩnh Diện nằm ở khu đặc biệt của nghĩa trang Điện Biên cùng với mộ của 3 anh hùng nổi bật khác trong trận Điện Biên Phủ là Phan Đình Giót, Bế Văn Đàn, Trần Can. Một bia tưởng niệm cũng được dựng lên gần vị trị đường kéo pháo nơi ông hy sinh.

Khẩu pháo cao xạ 37mm số hiệu 510681 sau đó tiếp tục được đưa vào tham chiến trong Chiến dịch Điện Biên Phủ, bắn rơi 3 máy bay, làm hư hỏng 13 chiếc khác. Năm 1958, khẩu pháo được đưa về trưng bày tại Phòng truyền thống của Bộ Tư lệnh Phòng không, nay là Bảo tàng quân chủng Phòng không- Không quân. Ngày 1 tháng 10 năm 2012, Thủ tướng Chính phủ ra Quyết định số 1426/QĐ-TTg công nhận pháo cao xạ 37mm số hiệu 510681 là Bảo vật quốc gia đợt một.

Tên của ông được đặt cho nhiều đường phố trên khắp Việt Nam.