周显王十六年，即公元前354年，魏国派庞涓率兵八万由大梁出发，北上进攻赵国的都城邯郸。赵国无力打破魏军的围攻，便向齐国求救。齐王派田忌为主将，孙膑做军师，坐在军车之中筹谋策划，率兵八万救赵。
田忌采纳了孙膑批亢捣虚的建议，把主力集结在预设阵地桂陵，即今河南长垣西北，准备歼敌。
大约在农历十一月间，庞涓回兵桂陵，遭到齐军截击，败回大梁。围魏救赵的成功经验从此被中国历代兵家所借鉴，在中国战争史上占据了重要地位。
桂陵战后的十三年，魏国联合赵国攻打韩国，韩国向齐国告急。于是，齐国在韩魏两军久战俱疲的时机，命田忌为将，孙膑为军师，出兵救韩，直取魏国首都大梁。
魏国得知齐军攻魏救韩的消息后，立即撤去围韩之军回到大梁。魏国国君魏惠王决心集中主力迎击齐军，以报桂陵之战失败之仇，命太子申为上将军，庞涓为将军，率领十万军队主动迎击齐军，寻求决战。
孙膑向田忌建议：利用三晋士兵向来彪悍骁勇，轻视齐国，认为齐军胆小怯懦的心理，示之以弱，诱敌追击，然后乘隙予以致命打击。
孙膑还具体提出了诱敌的方法：就是在与魏军接触后就假装败退，退却中第一天挖十万个炉灶，第二天减少到五万，第三天减少为三万个，让魏军误认为齐军每天有大量士兵逃亡，战斗力迅速减弱，以诱使魏军追赶。
果然，庞涓见齐军炉灶天天减少，得意忘形地说：“我原来就知道齐军胆小怯懦，进入我国境内才三天，士兵就逃走过半了！”于是丢下步军，只率一部分轻装精锐部队，兼程追赶。
孙膑估计庞涓的行军速度，天黑当可赶到马陵，即今汉南范县西南。马陵道路狭窄，旁多险阻，可埋伏兵马。他命令削去大树的树皮，在露出的白木头上写上：“庞涓死在此树之下。”然后命令齐军善射者一万人，手执强弩，埋伏在道路两旁，约定说：“夜里见到火光亮起来就万箭齐发。”
庞涓果然夜晚来到大树下，见白色木头上写了字，钻火照看，还没来得及读完树上的字，齐军已万箭齐发。魏军大乱，彼此无法相顾。庞涓这才意识到中了孙膑的计策，已经智穷兵败。齐军乘胜攻击，全歼十万魏军，俘虏了魏国太子申，凯旋而归。孙膑也由于其卓越的军事才能而闻名天下。