齐威王见是一个双腿受刑的残疾人，开始并未介意，当孙膑陈述自己对战争问题的看法时，齐威王便被孙膑深刻独到的分析大受震动。再询问兵法，孙膑更是滔滔不绝，对答如流。齐威王感到孙膑其人确实不简单，从此以“先生”相称，把他作为老师看待。
公元前354年，魏将军庞涓发兵8万，以突袭的办法将赵国的都城邯郸包围。赵国抵挡不住，意派使者向齐国求救。齐威王就拜田忌为大将，孙膑为军师，发兵8万，前往救赵。
大军既出，孙膑提出围魏救赵的办法，趁魏国国内兵力空虚之机，发兵直取魏都大梁，迫使魏军奔赵回救。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。魏军长期劳顿奔波，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，乖乖地归还了邯郸。
而此战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。
桂陵之战10多年后，即公元前342年，庞涓又带领10万大军、1000辆兵车，分3路进攻韩国。小小的韩国抵挡不住庞涓的进攻，一时形势危急，遂接连派出使臣，向齐国求救。孙膑提出避敌锋芒，耗敌实力的办法，让韩国先行与魏国进行殊死较量。
一年之后，当双方都精疲力尽之时，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，齐军再次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，孙膑便以魏军自恃骁勇，急于决战的心理采取迫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。不料，齐军不肯交战，稍一接触即向东退去。庞涓挥师紧紧追赶不放。头一天，见齐军营地有10万人的饭灶；第二天，还剩5万人的灶；到第三天，只剩3万人的灶了。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，于马陵道这个树多林密，山势险要，中间只有一条狭窄的小路可走的地方就地伐木，堵塞小路，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，命弓箭手埋伏于此。
庞涓率领的魏军骑兵来到马陵道被堵，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，拔出佩剑自杀了。齐军乘胜追杀，将魏军的后续部队一气打垮，连魏太子都给俘虏了。马陵大捷后，孙膑名声大昭。
之后，田忌、孙膑二人被齐国相国邹忌所妒，邹忌陷害风头甚劲的田忌，已经老糊涂的齐威王信以为真，以为田忌有了造反之心，于是将田忌召回临淄。
孙膑不忍田忌自投罗网，加之田忌对他有知遇之恩，于是劝说田忌孤注一掷，死中求生，以清君侧的名义诛除邹忌。不料邹忌也不是等闲之辈，早已作好了守城准备，田忌攻城不胜，眼见各地勤王之兵大集，只好弃军逃亡到了楚国。