孙膑秘密回到齐国之后，对外保密，暗中等待时机复仇。
当时，魏国富强，又有庞涓，大有统一天下之势。赵国为了生存，采取以攻为守的战略，于周显王十五年（公元前354年）向魏国的属国卫国发起了进攻，结果惹来魏军的强攻。赵将指挥无能，国都邯郸也被围困。
被逼无奈，赵国只好求救于齐国，齐威王拜田忌为将，孙膑为军师，率八万齐军，前去救赵。受命以后，田忌决定率军直捣赵都邯郸，和赵军里外夹击。孙膑极力劝阻，说要想解开绳结，不能心急地硬拉；要想排解纷争，只能劝说不能参与纷争。现在，魏国和赵国正在厮杀，而魏国国内一定空虚，如果齐军直捣魏都大梁，庞涓一定会回师救援，我们在半路上伏击，既能帮助赵国，又能打败魏国。
田忌恍然大悟，率齐军直捣大梁，一路上战鼓争鸣，让魏人都知道。魏惠王吓坏了，急令庞涓回师救大梁。庞涓只好率军回国，当疲惫不堪的魏军进入桂陵的时候，突然如潮水般的齐军杀了过来。魏军本来在邯郸城下和赵军争战多日，再加上长途行军，无力抵挡齐军的伏击，魏将庞涓成为俘虏。
围魏救赵的战术历来被军事家所推崇，成为作战的指导原则之一。
孙膑过于忠厚，念及同窗之情，再加上孙膑艺高人胆大，还有庞涓大喊输得冤枉，孙膑把庞涓放回魏国。
不久，在齐国的权力斗争中，田忌被迫辞职，孙膑只好离开军营。庞涓知道后，欣喜若狂，率领魏军杀得各国大军落荒而逃。
齐威王病逝，齐宣王继位，拜田忌为将，孙膑为军师。庞涓不知道这件事，正率魏军攻打韩国，韩军无力抵挡，只好向齐国求援。
齐国相国邹忌主张作壁上观，不与魏国为敌。田忌主张趁早救韩，魏国吞了韩国以后会更加强大，威胁齐国。孙膑拈须微笑，一句话都不肯说。最后，众臣都来向他请教。孙膑说："现在去救韩国，魏军兵力太强，等于替韩国牺牲；如果不救韩国，魏国会更加强大的，你们的说法都很正确。依我看，不如秘密地同意韩国的请求，让韩国顽强抵抗。齐军故意拖延时间，等他们打得精疲力尽时，齐军突然出击。"
齐王下令，按计行事。韩军知道齐军即将赶到，便誓死抗敌，使魏兵受到很大的损失。眼看韩军即将崩溃的时候，十万齐军向魏都大梁杀来。庞涓率军回师，韩国离魏国较近，迅速在魏国补充了兵员。魏王派太子申率军十万进攻齐军。
孙膑对田忌说，论每个人的战斗力，齐人不如魏人，魏人轻视齐人。应该骄敌诱敌，找机会击败魏军。
齐军和魏军刚刚相遇，便落荒而逃。庞涓不敢贸进，率魏军远远地跟着。第一天，庞涓发现齐军住过的地方有十万个火灶，第二天，发现只剩下五万了，第三天只剩下三万个。庞涓高兴地说："齐兵的胆子是很小，但没有想到他们吓成这样，竟然逃跑过半！"
庞涓命令丢下士兵辎重和步兵，亲率轻骑两万，昼夜追赶齐军。齐军一边走一边把战车、旗帜丢弃，撤回齐国，在马陵隐藏起来。
马陵道路狭窄，两山夹谷，树木浓密，孙膑派一万多个弓箭手埋伏在密林中，下令：晚上有人高举火把，立即向亮火处齐射。孙膑派人把路上最突出的一棵大树削去一块树皮，刻上"庞涓死于树下"。
在一个漆黑的夜晚，庞涓率两万轻骑来到马陵道上。前军报告说前面道路被树干乱石挡住，庞涓催马前行，发现路边大树上好像有字，命令士兵点起火把。当他念完"庞涓死于树下"时，大喊中计。齐军万箭齐发，把庞涓射死。齐军冲了出来，魏军轻骑很快被杀。田忌和孙膑率军打败了后面的魏军步兵，俘虏了魏国太子申，杀敌十多万。
