公元前354年，魏将军庞涓发兵八万，突袭赵国都城邯郸。赵国抵挡不住，派使者向齐国求救。齐威王欲派孙膑为大将，率兵援赵。孙膑辞谢说：“我是受过刑的残疾人，带兵为将多有不便，还是请田大夫为将，我从旁出出主意吧！”齐威王想想也好，就拜田忌为大将，孙膑为军师，发兵八万，前往救赵。大军既出，田忌欲直奔邯郸，速解赵国之围。孙膑不赞成这种硬碰硬的战法，提出应趁魏国国内兵力空虚之机，发兵直取魏都大梁，迫使魏军回救。这一战术，将避免齐军长途奔袭的疲劳，而致魏军于奔波被动之中，立即为田忌采纳，率领齐军杀往大梁。魏军好不容易将邯郸攻陷，却传来齐军压境，魏都城大梁告急的消息。庞涓顾不得休整部队，除留少数兵力防守邯郸外，忙率大军驰援大梁。没料到，行至桂陵陷入齐军包围。魏军长途劳顿奔波，士卒疲惫不堪，哪还顶得住以逸待劳的齐军？结果被打得落花流水，大败而逃，连主将庞涓也被活捉。到头来，魏国只好同齐国议和，乖乖地放弃了邯郸。这就是历史上有名的“围魏救赵”之战。其实，也是孙膑对庞涓的重重一击。但孙膑并没有杀庞涓，只是训导他一番，又将他放了。

孙庞之间的斗争并没有就此结束。公元前342年，庞涓又带领十万大军、一千辆兵车，分三路进攻韩国。韩国抵挡不住庞涓的进攻，形势危急，接连派出使臣，向齐国求救。齐威王召集群臣商讨对策，有主张坐山观虎斗的，有主张发兵救援的，相互争执不下。孙膑一直没有说话。齐威王见状便说：“先生是不是认为这两种意见都不对啊？”孙膑点头说：“是的。我以为，魏国以强凌弱，如果韩被攻陷，肯定对齐国不利，因此我不赞成见死不救的主张。但是，魏国现在锐气正盛。如果我们匆忙出兵，岂不是要代替韩军承受最初的打击？”齐威王说：“那么，依先生的意见怎么办好？”孙膑说：“我看可以先答应韩国的请求。他们知道我们能出兵救它，必然全力抗击入侵的魏军；而魏军经过激烈拼杀，人力物力也会大大消耗。到那个时候我们再发兵前去，攻击疲惫不堪的魏军，拯救危难之中的韩国，就可以用力少而见功多，取胜易而受益大，不知陛下以为如何？”齐威王十分赞赏孙膑的建议，当即采纳。一年后，当魏韩两军交战更为激烈，双方实力已大大削弱的时候，齐威王才决定派兵出战，仍以田忌为主将，孙膑为军师。于是，孙膑与庞涓又一次相逢在战场，开始了一场大规模的生死较量。

战役之初，按照孙膑的计策，齐军长驱直入把攻击的矛头指向魏国的都城大梁。时过不久，孙膑得知庞涓回师都城的禀报，便对田忌说：“魏军一向自恃骁勇，现急于同我军决战。我们要抓住这个心理，诱使他们上当……我们可以装出胆小怯战的样子，用退兵减灶的办法诱敌深入。”当庞涓日夜兼程赶回魏国本土，传令抓住齐军主力，与其决一雌雄时，齐军却不肯交战，稍一接触即向东退去。庞涓挥师追赶，但又担心中计，所以不敢全力追击。头一天，见齐军营地有十万人的饭灶；第二天，还剩五万人的灶；到第三天，只剩三万人的灶了。庞涓见状高兴，得意地说道：“我早知道齐国的士兵都是胆小鬼，如今不到三天就逃跑了大半！”于是，传下将令：留下步兵和笨重物资，集中骑兵轻装前进，追歼齐军。

孙膑得知庞涓轻骑追击的探报，知道庞涓的末日到了。这时，齐军正好来到一个叫马陵道的地方。马陵道处于两座高山之间，树多林密，山势险要，中间只有一条狭窄的小路可走，是一个伏击歼敌的好战场。孙膑传令：就地伐树，将小路堵塞；另挑选路旁的一棵大树，刮去一段树皮， 在树干上面写道：“庞涓死于此树之下！”几个大字。随后，命令一万弓箭手埋伏在两边密林中，吩咐他们夜里只要看见树下出现火光，就一齐放箭。当天傍晚，庞涓率领的魏军骑兵果真来到马陵道。听说前面的道路被树木塔塞，庞涓忙上前察看。朦胧间他见路旁有一大树，白茬上隐约有字，遂命人点起火把。当庞涓看清树上的那一行字时，大吃一惊，知道中了孙膑的计谋。他急令魏军后退，但已晚了。埋伏在山林中的齐军，万箭齐发，猝不及防的魏军死伤无数，乱成一团。庞涓身负重伤，知道败局已定，便拔出佩剑自杀了。齐军乘胜追杀，将魏军的后续部队一并打垮，连魏国太子都给俘虏了。

在孙膑的帮助之下，田忌威望大增。但时任齐国国相，曾多次讽谏齐威王的邹忌，却担心自己的相位不保，想要除掉田忌和孙膑。马陵之战结束不久，邹忌便找来亲信谋划如何除掉田忌。齐威王这时年纪大了，有点老糊涂了。他本来就对田忌手握重兵心有疑惧，听了邹忌的话，就相信田忌有谋反的意图。而这时田忌正率兵在外，齐威王就遣使召田忌回临淄，准备等田忌回到临淄后再审问此事。

此时，孙膑也在田忌军中。他对齐国的政局及邹忌、田忌之间的矛盾洞若观火。现在齐威王无缘无故忽然派人来召田忌回临淄，感觉齐威王一定是听信了邹忌的谄言，田忌此次回到临淄恐怕将凶多吉少。于是，孙膑建议田忌率军回临淄驱逐邹忌，要田忌举兵“清君侧”。

田忌对孙膑早已佩服得五体投地，对他言听计从。他依孙膑之言，率兵回到临淄。但邹忌也不是等闲之辈，早已作好了守城准备，田忌攻城不胜，眼见各地勤王之兵集结，只好弃军逃亡到了楚国。 这时，人们发现孙膑已不知去向了。传说他找了一处清静的地方，招收几个学生，总结、研究早年所学兵法知识和自己的作战经验，撰成《孙膑兵法》八十九篇。

1972年，山东省临沂银雀山汉墓中挖掘出《孙膑兵法》残简，现藏于山东临沂金雀山汉墓竹简博物馆，这部书共有一万一千余字。