桂陵之战结束后，齐威王对田忌和孙膑甚为宠任，专以兵权委之。宰相邹忌心胸狭窄阴冷，恐田忌或孙膑将来代己为相，便设计诬陷田忌欲拥兵背反，齐威王疑之，田忌托病辞了兵权，以释齐王之疑。孙膑不久也谢去军师之职。次年，齐威王死，其子辟疆即位，是为齐宣王。宣王素知田忌之冤与孙膑之能，召请二人回朝，执政如故。
魏国在桂陵之战后，并不甘心失败，元气也并未大伤，久霸中原的余威还在。地处中原的原来是晋国，后来分裂成魏、赵、韩三国，因而亦称“三晋”。魏国兵强马壮、国力雄厚，赵、韩二国远逊于它。桂陵之战受挫后，魏国结好与赵、韩，三国联军同仇敌忾，先后击败过秦、楚两国的进攻。魏国内部也加强整顿，发展生产，国势日强。然而魏惠王是个目光短浅、好大喜功而又缺乏深远战略思想的君主，加之庞涓等一帮人的怂恿，魏惠王便又忘记了昔日的教训，独霸中原的野心便又膨胀起来。于是，在周显王二十九年（公元前340年），即桂陵之战后13年，魏惠王派太子申和庞涓率兵大举进攻韩国，企图一举亡韩。
弱小的韩国，在魏军的强大攻势面前连吃败仗，兵临国都，韩哀侯异常恐慌，遣人星夜告急于齐，求其出兵相救，以存社稷。
早就想称霸中原的齐国认为大好时机到来，齐宣王召集群臣，共议国策。宰相邹忌认为，韩魏相煎，这是齐国之幸事，可以隔岸观火，齐国自身也需加强治理，以不发兵相救为宜。大将田忌则认为，魏韩相斗，韩败魏胜是其必然结果，那样就会使魏势力大增，则祸必殃及于齐，绝不能袖手旁观，坐失攻魏战机。两人争执不下，齐宣王征询孙膑的意见，说道：“军师不发一言，难道说救与不救，二策都不合适吗？”
孙膑早已成竹在胸，他首先透彻地分析了不救与速救的弊端，他认为，魏国自恃其强，伐赵之后又起倾国之兵伐韩，其野心须臾也未忘记伐齐。如果任韩降魏，只能使魏更加强大，从而形成对齐国的巨大威胁，因而弃韩不顾是不明智的。然而，齐国的军队必须为齐国的利益而战，如果过早地出兵救韩，就等于齐国代替韩国作战，韩享其安，我受其危，主客颠倒，那对齐国是十分危险不利的。
孙膑的一席话，鞭辟入理，令人信服。既然不救和速救都不妥当，那么怎么办呢？孙膑接着说，从齐国的根本利益出发，应该许韩必救，以安其心。韩知有齐相救，必然尽全力抗魏自卫，魏兵也定然倾其全力以攻韩。等到魏韩厮杀实力消耗后，再出兵攻击疲惫的魏军，拯救危亡的韩国，用力少而见功多，才会收到事半而功倍的效果。
齐宣王听了孙膑的建议，非常高兴，热情地接待了韩国使者，答应说：“齐救兵旦暮将至。”韩哀侯大喜，奋力抵抗魏军。然而毕竟弱不胜强，前后交兵五六次之后，韩军尽皆大败，再次派使来齐，请求速发救兵。魏军在激烈的战斗中也有一定的伤亡，实力有所削弱。于是，齐国抓住了韩危、魏疲的最佳时机，任命田忌为大将，田婴为副将，孙膑为军师，统军数万、兵车数百乘，浩浩荡荡离齐攻魏救韩。
这一次，孙膑又一次采取了“围魏救赵”的战术，他认为“夫解纷之术，在攻其所必救，今日之计，惟有直走魏都耳！”魏惠王见齐军又杀气腾腾直扑大梁而来，鉴于13年前桂陵之败的惨痛教训，再也不敢让魏军在韩恋战，急忙将魏军主力调回。庞涓大惊，即时传令离韩归魏，率兵10万企图与齐军进行一次战略决战。
孙膑并没有墨守成规旧套。他冷静地分析了敌我双方的情况，认为这一次魏军有一定的准备，兵力也较多较强，而且是主动迎击齐军，来势猛烈。为了避免和魏军正面冲突，应该抓住他们兵骄和急于求战的心理，因势利导，以计胜之。他对田忌说：“善战者因其势而利导之，兵法上也说，被利诱而深入百里，去追击敌军，必丧失大将；追击50里，势必折损一半士兵。我们就要在这上面想办法，做文章。”田忌进一步问他如何“因势利导”，他胸有成竹地说：“彼三晋（这里专指魏）之兵，素悍勇而轻齐，齐号为怯。”就要利用魏军的这一心理，设法诱其中计。具体做法是：齐军装做惧怕魏军的样子，主动引兵东撤。在退兵途中，第一天造10万人做饭用的锅灶，第二天减为五万人的锅灶，第三天减为三万人。魏军追兵见我军锅灶逐日减少，一定认为齐军怯战，逃亡过半，从而助长其骄傲轻敌的思想，诱其拼命猛追，其力必疲，然后再以计取之。田忌听罢大喜，完全依膑之计而行。
庞涓怒气冲冲地率兵从韩返魏，望西南而行，心想韩兵屡败，建功立业已唾手可得，却被齐兵侵扰，毁其大事，不胜之愤。本来要痛痛快快地与齐兵决一死战，不料齐兵又撤退逃窜，于是整顿兵马，紧紧追赶。追击开始之时，庞涓恐齐兵有诈，还是比较谨慎的，行军速度亦不甚快，各队之间联络照应有致。后来他发现齐兵的锅灶一天比一天减少，这才放下心来，以为齐军果然怯弱，闻魏兵将至竟不战而逃亡过半，士气已经低落到不堪一击的程度，这是雪桂陵之耻的天赐良机。处于亢奋之中的庞涓当下传令，将步兵留后徐行，自己亲率精锐骑兵，马不停蹄，昼夜兼程地沿着齐军撤退的方向猛追不舍。
田忌与孙膑从容地率兵撤退，同时派出许多侦探，观察并随时报告魏军动态。当孙膑得知魏军已过沙鹿山之时，屈指计程，准确地预计到魏军日暮必至马陵（今河南范县西南）。马陵地势险峻，一条窄道夹在两山中间，道旁树木丛生，是设伏歼敌的好战场。于是孙膑命令齐军停止前进，砍伐树木，堵塞道路，设置障碍，布下重重埋伏，准备围歼追敌。孙膑还特意命士兵把路旁的一棵大树刮去一段树皮，在白色的树干上用黑煤书写了八个大字：“庞涓死于此树之下。”一切准备就绪后，孙膑挑选了弓弩手一万人，埋伏在山路两旁。弩也叫“高弓”，是用机关施放的弓，一次可射数支箭，亦可射石，杀伤力比一般的弓要厉害得多。孙膑吩咐他们，今夜一发现火光，就一齐放箭，不得有误！
果然不出孙膑所料，庞涓率领魏军来到马陵道时，恰好日落西山，其时十月下旬，又无月色。前军回报说，有断木塞路，难以前进。庞涓以为是齐兵惧怕魏军追赶，故设障碍，便命人搬木开路，忽然抬头看见树上砍白处，隐隐有字迹，但昏黑难辨。命军士取火照之，众军士一起点起火来，庞涓于火光之下，看得分明，大惊中计，急叫退兵，可惜已经晚了，齐军万名弓弩手一见火光立刻万弩齐发，喊声四起。魏军顿时大乱，被四面包围，既无法抵抗，又无处逃跑，全部被歼。庞涓在乱军中，身中数箭，自知“智穷兵败”，无法挽救危局，叹道：“吾恨不杀此刖夫，遂成竖子之名！”即引佩剑自刎喉而绝。庞涓所率精锐被歼后，齐军乘胜发起进攻，魏兵心胆俱裂，无人敢战，各自四散逃生。10万魏军曾经不可一世，如今尸横遍野，全军覆灭，统帅太子申亦成俘虏，魏军轻重军器、车马粮草，尽归于齐，齐军取得了战略决战的胜利。这就是历史上著名的马陵之战。
马陵之战后魏国元气大伤，国势从此一蹶不振；齐国则声威大震，诸侯慑服，中原霸主之尊也取魏而代之。孙膑“减灶诱敌，设伏聚歼”的军事谋略，以强示弱、迷惑敌人、因势利导的战略战术，使他名扬天下，功垂青史，实现了平生抱负。
