周显王十六年（前353年），魏惠王派庞涓带兵去攻打赵国，包围了赵国都城邯郸。赵国立即向齐国求救。齐威王答应出兵，打算拜孙膑做大将。孙膑说：“我这个残废人如果当了大将，人家该笑话齐国无人了。”于是改拜田忌为大将，孙膑为军师，让他坐在兵车里出谋划策。行军途中，孙膑对田忌说：“赵国不是庞涓的对手，等我们赶到邯郸，那地方早就叫魏拿下了。不如传出话去，就说我们要攻打襄陵。庞涓听到这个消息，一定会回来救援。那时候，我们再在半道上伏击，准能取胜。”田忌认为是个好主意，就在魏军的必经之地桂陵(今河南长垣西北)埋伏下来。
果然，庞涓听说齐军要攻打襄陵，非常惊慌，连忙从邯郸撤兵，急救襄陵。这一下，正好钻进了齐军布下的包围圈。庞涓大败，拼力杀出重围，才免于一死。
周显王十八年(前351年)，赵国为报邯郸之仇，联合韩国攻打魏国。韩国在战争中被庞涓击败，向齐国求援。齐威王再次起用田忌和孙膑，拜田忌为大将、田婴为副将、孙膑为军师，统师五万大军去救援韩国。孙膑采用了和上次“围魏救赵”同样的战略，不去直接解救韩国，而去攻打魏国的国都大梁(今河南省开封市。这时候魏国的国都已经从安邑迁到了大梁)。
庞涓一听国都危急，只好从韩国撤兵。等他赶回到魏国的边境，齐国的军队已经开进了魏国。庞涓细心观察齐军住过的营地，派人数了齐军做饭用过的炉灶，发现足够十万人饮食所用。在齐军的第二个营地，炉灶只够五万人做饭所用。到第三个齐军驻过的营地，炉灶则只够三万人做饭所用了。经过计算，庞涓认为，齐国军营炉灶的减少，说明士兵逃亡越来越多。他以为洗雪桂陵之役的耻辱要不了几天了。于是下令魏军不分昼夜地追赶齐军。
其实，这都是孙膑布置的迷魂阵。这会儿孙膑早已将兵马埋伏在马陵道上，专候庞涓。
那马陵道，夹在两山中间，又长又窄。庞涓领兵来到这里，已经是半夜时分，又值十月下旬，没有月光。忽然，前面的士兵来报告：“山路让木头堵住了，无法前进。”庞涓指挥士兵搬开木头的时候，才发现周围的树都被砍光，山脚下仅剩一棵孤零零的大树。他走近一看，树皮已削下一块，上面模模糊糊地写着字。连忙叫人点上火把，就近一看，树上赫然写着：“庞涓死此树下！军师孙示。”孙膑的伏兵们早已将这一切看得真真切切，一声哨响，万箭齐发，伏兵如猛虎下山，蜂拥而至，魏军大败，尸横遍野。庞涓也死在乱军之中。齐军满载着战利品，凯旋而归。
田忌、孙膑得胜回国，齐威王设宴犒劳。拜田忌为相国。要赏给孙膑封地，孙膑坚辞不受。他把亲手记录下来的《孙子兵法》十三篇献给了威王，随后就辞了官，过着隐居的生活。
我们今天所见的孙武著的《孙子兵法》十三篇，或许就是孙膑传下来的。其实，孙膑作为我国战国时代的伟大军事家，他本人曾经对自己的军事经验做过总结，写过一部叫《孙膑兵法》的书，可惜后来失传了。直到1972年，考古工作者从山东银雀山汉墓发掘出一批竹简，才发现了这部书。这部书是研究军事史的珍贵资料。《孙膑兵法》对马陵战役所作的记载，说明庞涓不是被万箭射死，而是被活捉。