齐威王喜欢赛车跑马，老跟宗族里的公子们比赛，还赌挺大的输赢。田忌很有几匹好马，可是他的车马跟齐威王的车马比着跑，不是差了几尺，就是差了几丈。一场、二场、三场都是这么样。他老不敢多下注。孙膑看了一回之后，就对田忌说：“下回比赛的时候，我包你赢，只管多下点注。”田忌还不知道怎么赢法，可是他挺相信孙膑。到了比赛的时候，他对齐威王说：“每回赛马，老是我输。这回我要好好地跟大王赌个输赢。每场下注一千两金子，三场三千两，行不行？”齐威王笑着答应了他。到了比赛的那天，齐威王的赶车的驾着四匹马出来。孙膑就叫田忌的赶车的出去比赛。头一场跑下来，田忌的车马和齐威王的车马差得很远。田忌输了一千两金子。齐威王哈哈大笑。田忌说：“还有两场呐！”接着第二场跑下来，田忌赢了。第三场，齐威王又输了。末了，田忌还赢了一千两金子。齐威王真有点不明白怎么会连输两场。田忌就禀告说：“今天我赢了，并不是我的马好，这全是孙先生的计策好。”齐威王说：“这还有什么计策吗？”田忌说：“孙先生让我先把三等马跟大王的头等马比赛，头一场我当然输了。可是第二场，我的头等马跟大王的二等马比，第三场我的二等马跟大王的三等马比，这后两场我就全赢了。”齐威王赞叹着说：“从这种小事上就能看出孙先生的才能来了。”打这儿起，齐威王更加尊敬孙膑。
公元前353年（周显王16年，魏惠王18年，齐威王26年，秦孝公9年），魏惠王派庞涓进攻赵国，围住了邯郸。赵国的国君赵成侯派使者上齐国去求救，情愿把中山送给齐国作为谢礼。齐威王知道孙膑的才能，要派他为大将去救赵国。孙膑推辞说：“不行。我是个带残疾的罪人，当了大将给敌人笑话。大王还是请田大夫为大将吧。”齐威王同意孙膑的话，拜田忌为大将，孙膑为军师，发兵去救赵国。孙膑对田忌说：“眼下魏国的兵马已经把邯郸围上了，赵国的将士又不是庞涓的对手，咱们去救邯郸已经晚了。咱们不如在半道上等着，就说去打襄陵[魏国地名，在河南省睢县西]。庞涓听到，准得往回跑。咱们迎头痛揍他一顿，准能把他打败。”田忌就按着他的计策做去。
果然，邯郸敌不过庞涓，投降了。庞涓打发人去报告魏惠王。忽然听说齐国派田忌去打襄陵，他着急起来，立刻吩咐退兵。刚退到桂陵[在山东省菏泽县东北]地界，正碰上齐国的兵马。两下里一开仗，魏国就败了。庞涓正在心慌意乱的时候，忽然瞧见一面大旗，上面有个“孙”字！这一吓，差点把他从马上摔下来。幸亏庞英、庞葱两路兵马赶到，总算把他救了。庞涓逃了活命，可是损失了两万多士兵。齐国人大胜而归。
齐威王重用田忌和孙膑，把齐国的兵权交给他们。有人在齐威王跟前说田忌的坏话，说他权力太大，也许自己要做王了。齐威王起了疑，天天派人暗中察看田忌的行动。田忌就告了病假，把兵权交了出去。孙膑也辞了军师的职位。
庞涓听见了这个消息，又抖起精神来了，他说：“如今我可以横行天下了。”那时候，韩国早把郑国灭了（公元前375年），势力大了起来。赵国要报邯郸的仇，就跟韩国商量一块儿去打魏国。韩国答应了。庞涓得到了这个消息，就请魏惠王先发兵去打韩国。魏惠王仍旧叫庞涓为大将，把全国大部分的兵马都调出去去打韩国。
这时候，齐威王知道了田忌的委屈，又把他和孙膑重用起来。庞涓可并不知道这事。他带领着兵马去攻打韩国，打了几回胜仗，眼瞧着要打到韩国的都城来了。韩国接连不断地向齐国求救。公元前343年（周显王26年）。齐威王派田忌为大将，田婴为副将，孙膑为军师，发兵去救韩国。孙膑又使出他的老办法来了，他不去救韩国，直接去打魏国。
庞涓得到了本国告急的信儿，立刻退兵赶回去。赶到庞涓的大队到了魏国的边境，齐国的兵马已经过去了。庞涓一察看齐国军队扎过营的地方，发现了齐国的营盘占了挺大的地界，叫人数了一数地下做饭的炉灶，足够供十万人吃饭用的。庞涓吓得说不出话来。他想：“齐国有这么些兵马进了魏国的本土，怎么能把他们打出去呐？”第二天，他们又到了齐国军队第二回扎过营的地方，又数了一数炉灶，只有够供给五万来人用的了。第三天，他们追到了齐国军队第三回扎过营的地方，就算出大约也就剩了两三万人了。庞涓这才放了心，笑着说：“还好，还好！齐国人都是胆小的。十万大军到了魏国，才三天工夫，就逃了一大半。田忌呀，田忌！这回是你自个儿来送死。上回桂陵的仇，我这回可以报了。”他就吩咐大军整天整夜地按着齐国军队走的路线追上去。
他们这一追，一直追到马陵[在河北省大名县东南]，正是天快擦黑的时候。马陵道是在两座山的中间，山道旁边就是山涧，有点像当初孟明视全军覆没的殽山。这时候正是十月底，晚上没有月亮。庞涓恨不能一步追上齐国的军队。虽说是山道，反正是本国的地界，就吩咐大军顶着星星接着往下赶。忽然前面的士兵回来报告说：“前头山道给木头堵住了。”庞涓骂着说：“这也值得鸡猫子喊叫的吗？齐国人怕咱们今儿晚上追过去，就堵住了道儿。大伙儿一齐下手搬开木头不就结了吗。”庞涓亲自指挥着士兵，就见道旁边的树全砍倒了，只留着一棵最大的没砍。他奇怪为什么单单留着这一棵呐，细细一瞧，那棵树一面刮去了树皮，露着一条又光又白的树瓤来，上头影影绰绰的好像写着几个字，就是瞧不清楚。庞涓就叫小兵拿火来照。有几个小兵点起火把来。庞涓在火光之下，看得非常清楚，上面写的是：“庞涓死此树下。”庞涓心里一惊，说：“哎呀！上了瘸子的当了！”回头对将士们说：“快退！快……”第二个“退”字还没说出，也不知道有多少枝箭，就像下大雨似地冲他身上射来。庞涓自然就没了命。原来孙膑成心天天减少炉灶的数目，引诱庞涓追上来，早就算准庞涓到这儿的时辰，左右埋伏着五百名弓箭手，吩咐他们，说：“一见树下起了火光，就一齐放箭。”
一会儿，山前山后，山左山右，全是齐国的士兵，把魏国的兵马杀得连山道都变成了血河。直闹到东方发白，才安静下来。魏国的士兵不是投降，就是跑了，那些没投降、没跑了的全都躺在地下，再也起不来了。齐国的军队带着俘虏和好些东西从原道回去。走了一程，碰见了魏国后队的兵马，领队的大将正是庞涓的侄儿庞葱。孙膑叫人挑着庞涓的脑袋给他瞧。庞葱只好跪下哀求饶命。孙膑对他说：“我给你一条活路，赶紧回去，叫魏王上表朝贡，要不然，魏国的宗庙也保不住啦！”庞葱连连磕头，抱着脑袋逃回去了。
魏惠王打了败仗，只好打发使臣向齐国朝贡。韩国和赵国的国君更加感激齐国，都去朝贺。齐国的威名打这儿就大了起来了。相国邹忌告了病假，交出了相印。齐威王就拜田忌为相国，还要加封孙膑。孙膑不愿受封，亲手把兵法十三篇写出来，献给齐威王，辞了官职，隐居起来了。