公元前354年，庞涓率领魏武卒攻打赵国。赵国形势危急，于是向齐国求救。此前，虽未经过会盟，但魏国已隐隐有了霸主的地位，若任由庞涓这么打下去，万一将赵国吞灭，再整顿兵马收服韩国，重复当年三晋合一的盛况，那么齐国也就不用再做统一天下的大梦了，直接向魏国俯首称臣算了。
所以齐国这次必须出兵救赵，问题在于该选谁作为此次出征的主将。齐威王想到了孙膑，以小观大，已知其才，更何况他是兵圣孙武子的嫡脉子孙，家学渊源，相信有他出战，定然能够狠狠地教训魏国人。
不过孙膑却推掉了主将一职，他说：“我是受过刑的废人，如何能做主帅？”言辞淡漠而听来叫人心痛。威王无奈，只好命田忌挂帅出征，而孙膑就做了田忌的军师。看来，“军师”这个词在普通大众的脑海中勾起的形象，除了诸葛武侯，最早其实能够追溯到战国时的孙膑。由于被剜去膝盖骨，孙膑没法像其他将领那样立在战车之上，更不能骑马，只好安坐于辎车之上。可以想见，其他人都是一身甲胄，唯有孙膑是长袍大袖的儒冠儒服，潇洒又自在。苏轼赞叹周瑜的那一句“谈笑间，樯橹灰飞烟灭”用来说孙膑也算合适。
主帅田忌想要驱兵入赵，寻上庞涓率领的魏武卒主力一决雌雄。但是他的想法被孙膑否定了：“丝线缠作一团，想要解开它，就不能不顾起止头尾的胡乱撕扯；两伙人打起架来，想要止戈劝和，就不能跃上战场亲身搏斗，这只会使事情越来越乱。假如能够找到纷繁乱象背后的要旨，再认清和控制形势，自然而然就能将矛盾解除，达到我们的目的。如今庞涓率魏军的精锐苦战在外，那么留在魏国的大梁城戍守的必然都是些老弱病残。我们不如批亢捣虚，迅速挺进大梁，同时派人北上，将大梁被围的消息放给庞涓听，那么他必然放弃攻打赵国而回兵自救，如此岂非解了赵国之围？”
其实，孙膑的做法和象棋中的以攻对攻的路数是十分相似的。只不过下象棋时是“先下手为强”，快上一步就能够取得主动，把对方将死。而齐、魏之间的斗争却是“后发先至”——相较于魏国攻打赵国的国都邯郸，齐军围困魏国的都城大梁明显在行动上落后于魏军——后来者占据主动，因为齐国是博弈双方（赵、魏）之外的第三国！
而且，孙膑的做法不仅是聪明的做法，还是唯一能够取胜的做法。若按着田忌所想，驱兵入赵，那么齐军长途奔袭，到达邯郸城外时必定已是疲惫不堪，而赵军由于困城日久，也不是生力之军。这时候，齐、赵虽能够夹击魏军于城下，但他们要面对的可是吴起一手训练出来，几十年未尝败绩的魏武卒，那时鹿死谁手也就难以知晓了。
进军大梁则不然，“攻守之势易也”，变成了齐军以逸待劳，而魏军则是劳师远征。有心算无心，有准备对没准备或少准备，魏军定然会吃败仗。
果然，这一切全让孙膑给算中了。风风火火赶回来的魏军，在通往大梁城的必经之路桂陵遭遇了齐军的伏击，全军覆没，只有庞涓一个人逃出生天，衣衫不整、落魄如丧家之犬地回了大梁城。
失败的阴影始终笼罩着上将军庞涓，就算他在战场上取得再多的胜利，人们都只会把他当做孙膑的手下败将。所以，他不断取得的军功不过是为了衬托孙膑，为孙膑的难测的智谋和超卓的指挥添加注脚。
庞涓在等，等着再次与孙膑在战场相遇，然后将他击败，用他的鲜血来洗刷那个刻在他心里的“败”字。只可惜孙膑并不是庞涓，他不会为了自己的利益、为了个人的私仇而四处征战，让那些年轻的兵士为了他而死在空旷、冰冷的战场。事实上，即使孙膑有这个心思，最终也未必能够举兵伐魏，他在齐国的影响力也远远比不上庞涓在魏国的影响力，因为聪敏有决断的齐威王并非那个糊里糊涂、毫无主见的魏惠王可比。所以庞涓这一等就等了13年。山水有相逢，这对师兄弟的鬓角都是渐染风霜。
这世上没有永远的朋友，也没有永远的敌人，只有永远的利益。所以，13年前尚为死敌的赵、魏两家现在和好了，而且还汇兵一处，一起进攻韩国。赵、魏联军兵强马壮，他们齐声在韩国都城新郑外面叫骂。
此时，秦国正处于历史关头，商鞅正在秦地主持变法，根本无暇插手三晋内部的争斗；楚国人也无心思来管那些向来视他们为蛮夷的中原人之间的恶斗和杀戮；燕国是一个小国，与三晋和强国齐国各有摩擦，多次被对方攻入都城，就算想劝架也没有人肯听他的。不消说，剩下的只有一个齐国了。果然，韩国人重新走了13年前赵国走过的路：向齐国求救。
关于救还是不救的问题，齐国朝堂分为三种意见。其一以相国邹忌为代表，他们“老成谋国”，以为多一事不如少一事，不必蹚三晋这浑水。其二以邹忌丞相的政敌、大将军田忌为代表，这一派多是热血蓬勃、渴望立功的军官，他们主张立刻发兵救韩，彰显国威。持第三种意见的人只有一个，那就是“军师”孙膑。孙膑既不同意邹忌等人见死不救的短视行为，因为这样做等同于向天下宣告，齐国已经“放弃”了三晋，也不同意让田忌等人立刻发兵的意见，“救是一定要救的，只不过我们不需着急，让他们先互相耗着，最终占得便宜的肯定是我们！”这大概就是孙膑当时心中的想法。
小主，
“臣以为，救韩之事势在必行，否则没有了韩国的牵制，魏国将更加骄狂难伏，而赵国因为一直以来都是内政不稳，所以根本没有能力抵挡魏国的铁甲雄狮。到时候，13年前那种时刻担心魏国称霸天下的噩梦就要重新上演。不过，若是过早地出兵救韩，那么齐国的子弟兵就要在战争最残酷、最容易牺牲的时候投入战场。”若说孙膑是俞伯牙，那么齐威王就是知音钟子期。所以当苦候宫门外等待消息的韩国使节再次朝见威王的时候，威王只是支支吾吾，顾左右而言他地看着韩使在那干着急。
就这样，在韩使在新郑和临淄两城往返数次之后，齐国终于答应出兵，因为韩国国君已经做出了决定：击退赵、魏联军后，韩国会做齐国的附属国。
齐国于是出兵，主将仍为田忌，而孙膑仍任军师。这一次，孙膑已经下定决心，要彻底解决他和庞涓之间的恩怨。
孙膑的办法和13年前一样，还是趁着魏国精锐纠缠于韩国之际驱兵“直走大梁”。不过庞涓这次已经吸取了上次的教训，他早就盯着这边的情形，所以齐军刚刚越过魏国的边境，他就率着统御多年的魏武卒急行军往回赶。
包括田忌在内，所有人心里都有一个疑问——庞涓这次还会上当吗？孙膑却充满信心。
一路追来，庞涓发现了一个奇怪的现象，那就是齐军留在身后的起火的土灶越来越少：第一天还有十万个土灶，到了第二天就只剩下五万个了，而第三天，庞涓只发现了少得可怜的两万个土灶。
“胆小的齐军终于开始溃逃了吗？吃不得苦的齐国人啊。孙膑，你这次就要毁在你的这帮老乡手里！”于是舍弃步履缓慢的重甲步兵，只带着数量有限——当然高于齐军的“两万人”——的轻装精锐继续穷追。不过黄昏时候，当他们走到马陵道，庞涓突然意识到事情有所不妙。马陵道是一个狭窄的山谷，两旁是危岩险隘，“难道齐军会在此处埋伏？”正踌躇间，有兵士报告在前面道上发现一段巨木，好像还给剥了树皮，非常奇怪。
庞涓举起火把，一步步走到那段巨木之前，隐隐约约感觉剥下树皮的那一块地方好像刻有字迹，移近火把一照：“庞涓死于此树……”还未读完，耳朵里一下灌满了箭矢破弦之声，那些跟着他南征北战的兵士一个个倒下去了。眼见败局已定的庞涓，最后愤愧自杀，一代枭雄就此身亡。
马陵之战流传下来孙膑一句着名的兵学格言：