既然做了人家的门客，就要象征性地做一点门客所做的事情，否则每天端着个大碗白吃白喝，总觉得不好意思。就在孙膑思考着怎样可以小显身手时，一个机会来临了。
当时齐国的庙堂之上，从君王到朝臣，大多都沉湎于声色犬马之中，除了整日莺歌燕舞之外，还有一个重要活动就是赛马。当然这个赛马并不是许多年之后所提倡的友谊第一、比赛第二的那种体育比赛，而是金钱第一、比赛第二的赌博。因为每一位参赛者在赛前都要押上重金以赌输赢。对于这个比赛，或者说对于这个赚钱的机会，齐威王和大将军田忌两个重量级财迷都分外热心，总想在赛场上大捞一把，除了和其他群臣开赌外，齐威王与田忌还不时地较劲，以试高下。当然，既然是赌博，就有得有失，每次上场交锋，田忌只要和齐威王对阵，总是败多胜少，这令田忌感到格外头痛和苦恼。现在又到了赛马的时候，田忌见孙膑老待在家中有些烦闷，就说道：“这次赛马你也去看个热闹吧。”于是孙膑就跟着田忌到了比赛现场，令人意想不到的是，这一去就看出了门道。当齐威王和田忌二人所属赛马开始对阵比拼时，孙膑发现双方的马都分上中下三个等级，且要一个等级一个等级地赛下去，田忌的马与齐威王的马各等级之内足力相差不大，只要合理搭配是可以取得胜利的。于是，孙膑让田忌到下次比赛时，要下大赌注，并表示自己有办法让他赢得这场比赛。田忌听信了孙膑的安排，当第二天比赛开始时，田忌在第一场用下等马对齐威王的上等马，结果自然是田忌败北。而接下来的两场，田忌则用一等马对威王的二等马，二等马对威王的三等马，结果田忌皆胜。三场下来，田忌是一负二胜，从而轻松地赢得了威王的大把金钱。齐威王对这次败北感到有些意外，私下问田忌胜出的原因，田忌将孙膑出的主意说了出来，齐威王开始从心里佩服，并有些真诚地对田忌说道：“孙膑看来还真有两下子，下次对外用兵你就和他搭伙吧，看看他在战场上的能耐咋样。”
就在齐威王此话说过不久，魏惠王称霸中原的野心再次膨胀，他想一举吞并与之相邻的卫国，但卫国的盟友赵国表示不答应，于是魏惠王干脆派庞涓率八万大军伐赵，要给赵国君王一点颜色瞧瞧，如能借机灭了赵国，当然更是好事一桩。赵国听到这个消息，自知力不能敌，赵王紧急修书向齐求救。齐威王在召集群臣商量之后认为，齐、赵这几年关系一直不错，算是友好邻邦，如果眼睁睁地看着魏国军队灭赵而坐视不管，不但在道义上说不过去，对齐国本身也不利。如果此次伸手援赵，不但可以保住赵国，增强齐赵的友好关系，同时还可以相机破魏，从而慢慢取代魏国在中原的霸主地位。出于这几个方面的考虑，齐威王决定立即组建救援军援赵。为借机试探一下孙膑到底有多少真才实学，威王专门将其召到王宫谈话，慷慨许诺要任命他为齐国救援军主帅，田忌为副帅。孙膑听后，心中尚没忘了自己的身份，心想这个主帅是万万不能当的，于是当场表示道：“奴才是从酷刑之下侥幸逃生之人，现在身上、脸上被庞涓弄成这样，搞成了人不人鬼不鬼的样子。如果我当这个主帅，让不知底细的将士们和外人见了，不但要吓一大跳，还可能产生堂堂齐国别无人才可选的错觉，从而产生轻视之意，这对统兵作战是极其不利的。为使这次远征马到成功，我建议这个主帅还是由田忌将军来当比较合适。”
齐国田忌赛马图（银雀山汉墓竹简博物馆提供）
出任齐国军师的孙膑画像
经齐威王与朝臣们商量，决定任命田忌为主帅，孙膑为总军师。但这个参谋长对外严格保密，其主要任务是随军出谋划策，帮助田忌运筹指挥。考虑到孙膑的身体状况，他在行军打仗时坐在专门为他打造的车中，由专门的兵士护卫，其行踪只限圈内几人知情。
齐国救援军在经过一段紧锣密鼓的组建后，终于以八万人的庞大阵营，浩浩****地出发了。当这支军队快到齐卫边境时，根据密探探得的最新情报分析，庞涓已经对沿途的卫国进行了沉重打击，现率大队人马向赵国的首都邯郸扑去。面对此情，田忌对孙膑说：“赵国跟强大的魏国交战，如同狼和老虎搏斗，只有招架之功，并无还手之力，我们是不是赶快去救援邯郸？”
孙膑坐在车中轻轻摇摇头道：“不能救邯郸。”
“不救邯郸，那我们咋办？”田忌问道。
“我设想了一个作战方针，叫作批亢捣虚、围魏救赵，你看行不行？”孙膑说着，对田忌解释道：“目前，魏国独霸中原的威势尚在，其兵锋正盛，我们组建的这支志愿军，原是一群乌合之众，整天只知吃喝玩乐，到歌舞厅泡小姐，战斗力跟人家差一大截，明摆着是敌强我弱。在这种状况下，若我军直接救邯郸，免不了要与魏军进行一场大规模的关乎两国命运的生死决战。在正面战场硬碰硬的情况下，并不能保证我军会占上风，一旦战败，后果不堪设想。如果我们不救邯郸，而是反其道而行之，乘魏国精兵北上，国内空虚之际，率部直捣其首都大梁。大梁的君臣一看我大军来犯，必急招庞涓弃赵而归，以解大梁之围，这样赵国也就得救了。当然，仅仅做到让庞涓返回魏国并不能从根本上解决问题，他既然能回来，也可以再回去，我们要设法让他有来无回，要做到这一点，唯一的办法就是尽可能地消灭他的军队，而要消灭他的军队，就需在攻打平陵上做文章。”
坐在车上随军行动的孙膑
“这是哪儿跟哪儿，怎么又弄到平陵上去了？！”田忌不解地插言道。
“是的。”孙膑望着田忌有些疑惑的神态，解释道：“平陵是我们去大梁的必经之地，此城虽然城池较小，但所辖的县境很大，人口众多，是魏国东部地区的军事重镇，也是齐、卫两国通往大梁的门户。我军进攻平陵，其目的不是破城，而是用疑兵之计迷惑敌人。根据当年我在魏国时对平陵地形地貌的观察，此处南面有宋国，北面有卫国，途中有市丘国，四周地势险要，兵力部署甚强，很难攻取。我军如孤军进击，自己无法备足粮草，而取粮于敌的路也将被断绝，陷于这种境地，就会给庞涓造成一种错觉，以为我军将领不懂得作战规律，对战略战术一窍不通。有了这个假象之后，庞涓便不会把我们放在眼里，从而集中精力攻打邯郸。而邯郸的守军知我们来援，必拼命死守，这样魏、赵双方必有一场又一场的拉锯战。待双方力量都消耗得差不多的时候，我们再分出一支军队袭击大梁，庞涓必然回救，到那时我军设下埋伏，可一举击溃敌人，从而使魏军再无反扑的力量。”
齐军兵围大梁
面对孙膑的计策，田忌想了想，觉得有些道理，便说道：“那就按你说的办吧。”于是拔营起程，指挥军队向平陵方向进发。待快到平陵的时候，田忌向孙膑问道：“你看这仗咋个打法好呢？”
孙膑不假思索地说：“我已经想好了，为尽可能地保存实力，不能让我们军中的将军去统兵交战。据你了解，在我们的都大夫中，有谁平时说话办事像傻瓜一样稀里糊涂？”
田忌想了一会儿说道：“齐城、高唐二位靠了相国邹忌的关系才当上将军。这两个家伙平时不学无术，除了吃喝嫖赌，就是无所事事，典型的两个糊涂虫和民族败类。”
“天作孽，犹可违，自作孽，不可活。你马上下发命令，让我们的精锐部队按兵不动，令齐城、高唐二将军带着自己的手下弟兄去攻打平陵吧。按照我的构想，他们一旦进军，就必须要经过魏国的横、卷二邑附近，而二城之外都是四通八达的环形大道，恰是敌军集结兵力和布阵的好地方。这样，齐城、高唐二部到达后，前有平陵坚城之阻，后有来自横、卷二邑魏军沿环形大道的袭击，两路夹击，必败无疑。照这二将的能力估计，活着回来的可能不大。”
田忌听着孙膑的话，觉得有些不忍，但最后还是一咬牙听从了孙膑那借刀杀人的阴谋，命齐城、高唐二将军兵分两路去攻打平陵。果然不出孙膑所料，齐、高所部不但未能夺取平陵，反遭横、卷二邑魏军沿环形大道的连续攻击，结果在途中被打得大败，齐城、高唐二将在逃窜中被魏军所杀。面对这种早已预料到的结局，孙膑对田忌说道：“立即派遣轻车甲士快速前进，直捣魏都大梁的城郊，造成大军压境之势，迫庞涓回救。同时分派少量步兵跟随轻快的战车西进，以向敌人显示我军势单力薄，促其轻敌麻痹，进而入我圈套。”田忌按孙膑的策划而行。
此时的魏惠王正在后宫饮酒作乐，突然听到齐军神兵天降一样包围了自己的首都，惊恐之中急忙派人拿着令箭让庞涓回师救驾。这个时候庞涓刚刚攻破邯郸，正在赵国王宫准备好好享受一番，忽然接到回师的急报，气得七窍生烟，五官冒火，既不情愿放弃邯郸，也不能不回救大梁。在极端痛苦中，只好兵分两路，留下部分人马守邯郸，自己亲率主力部队回奔大梁。
孙膑得到庞涓作战部署的情报，迅速带领主力于平城北部的桂陵一带设下埋伏，单等庞涓主力部队到来。此时庞涓率军日夜回赶，他与手下大多数官兵近年来南征北伐，所向披靡，打遍天下无敌手，压根儿就没把齐军放在眼里。心想只要自己的主力一到大梁，甚至不用到大梁，齐军就该望风遁逃了。令庞涓想不到的是，自己的部队刚到桂棱，就遭遇了孙膑、田忌布下的伏兵。骄横自大又毫无戒备的魏军，在齐军的突然攻击下，一触即溃，官兵死伤多半，庞涓本人率领几名贴身侍卫于乱军之中杀开一条血路，狼狈逃回了魏国，齐军大获全胜。几十年来在诸侯眼里向以“怯弱”之态出现的齐军，由于这次实施了孙膑的战略战术，击败并重创了尚以“悍勇”著称的魏军，从而创造了流传千古的桂陵之战这一光辉战例，为齐国在后来的岁月中称霸中原迈出了重要的一步。（见银雀山汉简《擒庞涓》）
桂陵之战后，魏惠王被迫同赵国议和，并撤兵邯郸，赵国亡而复存。当然，魏国毕竟是久霸中原的强国，尽管桂陵一战损兵折将，但仍有较强的实力，在不算太长的时间内就恢复了元气。特别是当魏惠王率领十二诸侯朝见周天子于孟津后，又开始骄横了起来，并忘记了桂陵之战的教训，开始实施吞韩灭赵、独占中原的计划。到了公元前340年，魏惠王再也按捺不住心中的欲火，他令庞涓为远征军总司令，率兵大举进犯韩国。韩国君臣一看魏军来势汹汹，自知不是对手，火速向齐国求援。
齐魏桂陵之战示意图
齐威王自桂陵之战后，渐渐从声色犬马中清醒过来，开始金盆洗手，将主要精力投入到治理国家，并暗中图谋中原霸权上来。这次见魏、韩已经交手，认为正是借机破魏救韩的好机会，便召集群臣商量对策。相国邹忌首先跳出来反对，并放言道：“魏、韩两国没有一个好东西，这是帝国主义之间一场狗咬狗的战争，没什么正义与非正义之分，我们还是少管这些闲事，坐地观狗咬比较合适。”
大将军田忌的看法同邹忌正好相反，他不但主张救韩，而且认为要尽快出兵。
作为特邀代表列席会议的孙膑则认为，韩要救，但如果过早出兵，无疑变成了齐国代替韩国对魏作战，如果齐、魏两败俱伤，后果必然是齐国要听从韩国的摆布，这对齐既不利又不公平。最好的处理方法是，答应救韩，但不急于出兵，先让魏、韩两国进行拼杀，等到韩危、魏疲之时，齐再发兵救韩击魏，这样才能名利双收。齐威王一听，觉得这个观点正合自己的心意，遂采纳了孙膑的建议，许诺韩国出兵但却一直按兵不动。
庞涓率大军与韩军先后进行了五次较大规模的战争，魏军五战五捷，韩国已危在旦夕，而魏军也师劳兵疲。齐威王在孙膑的提示下，决定出兵。
按照传统史学家如司马迁等人的说法，这次齐国出兵，同上次救赵基本相同，任命田忌为主帅，孙膑为军师，统率大军十万救韩。孙膑故伎重演，再次沿用上次批亢捣虚、攻其必救的战略，大军不奔韩国，却直扑魏国的首都大梁。
征战在外的庞涓正要进逼韩都，忽然接到本国急报，只好停止攻韩，火速撤兵回援。与此同时，魏惠王吸收了上次的教训，在国内积极发动大量士兵，以太子申为主将，主动抵抗潮水一样扑来的齐军。
齐军突破魏国边境后，向纵深穿插而去，不久就接到庞涓回援的情报及太子申出兵抵抗的消息。孙膑建议田忌不等魏军赶到，就先避其锋芒，绕道向东撤军。庞涓率部昼夜兼行赶到魏国，一看齐军不战而退，想溜之乎也，便与前来御敌的太子申合兵一处，立即沿齐军退路急追而来。此时魏军依仗人多势众和在本土御敌，可谓气势汹汹，锐不可当。田忌探知魏军情报，对孙膑说：“我看魏军还是不减当年伐赵之勇，这次也是来者不善，看看我们弄个什么办法给他们一个迎头痛击，否则这事就没完没了了。”
孙膑说：“这事我是茶壶煮饺子——肚里有数，魏军一向自恃勇猛强悍而轻视我军，我军也确实是不够争气。在这种情况下，只能智取，不能正面交锋和恃勇斗狠。我们应利用庞涓及其部将急于和我们决一死战的焦躁骄横心理，设下圈套，引诱他们中计。先祖兵法有云，用急行军赶百里路去争取的，会折损领头的大将；用急行军赶五十里去争取的，只能有一半部队跟进。根据这个规律，我们要诈为怯弱，采用减灶之计，迷惑他们，让其急行冒险，这样我们就可相机将其歼灭了。”
田忌望着孙膑那张上刺“私通外国，罪该万死”墨字的脸，有些生厌兼不耐烦地说：“都到了这份上了，你就不要讲什么之乎者也，子曰诗云了，干脆就痛快地说说怎么办吧。”
孙膑听罢，脸一红，不好意思地说：“那我就直说，你看这样行不行？”随之将计划全盘托出。
田忌听罢说道：“尽管没有绝对把握，但也不妨一试。”遂指挥军队依计而行。
庞涓率部追赶齐军，尽管士气高昂，精神抖擞，骄横之情溢于言表，但毕竟在桂陵之战中吃过大亏，因而庞涓在骄横之中一直藏着小心。更让他为之战战兢兢和赔着小心的是，他已通过各种情报探知孙膑早已亡命齐国，并曾担任过桂陵之战的总设计师。既然孙膑能参加桂陵之战，这次很可能也在齐军中担当一个重要角色，只要孙膑在齐军之中，就很难对付了。所以对齐军这次不战而退，庞涓总在心中打鼓生疑，而对齐军撤退的情报和蛛丝马迹，也就格外留意并时刻提防上当受骗。当他率大队人马追至齐军曾放弃的扎营之处时，发现规模宏大，气派非凡。派人清点做饭的锅灶，其数量可容十万人吃饭，庞涓为此甚感震惊和不安，于是在继续追赶途中就更加小心谨慎。当第二天追至齐军安营扎寨处时，发现锅灶只够五万人所用。待追至第三天，又对锅灶进行清点，发现只够三万人之用。看到齐军做饭的锅灶一天天锐减，沿途又抛下了许多兵器、粮草、战车等物资，渐渐放松了警惕，认为齐军仅三天时间就伤亡大半，确实是一帮乌合之众。于是，庞涓的焦躁之情又在周身和脑海暴起，为了尽快消灭齐军，庞涓下令丢下步兵与辎重，亲自率一部分精锐骑兵，向前狂追猛赶。孙膑在撤退途中得到了庞涓已经先行追赶而来的情报，他按照魏军前进的速度计算了时间，急率部队赶赴马陵山埋伏起来。
马陵古道深处（作者摄）
这马陵山有一条十几里长的古道，古道两旁是高低不平的悬崖峭壁，溪谷深隘。溪谷两旁，则是乱树丛生，野草遍地，其地形地貌，正是兵家设伏奇袭的好地方。孙膑让田忌派兵把大量树木伐倒堵塞道路，只留一棵当道而生的老树，把树身向东的一面树皮刮去，露出白木一条，然后用黑煤在上面写下八个大字：“庞涓死于此树之下。”字的上部另有横批：“孙膑特赐。”待这一切准备完毕，孙膑又让田忌挑选五千名弓弩手，埋伏在大树两侧的山野丛林之中，并吩咐他们说：“只要看见对面山崖上火光亮起，你们就对准树下之人和所率部队一齐放箭。”与此同时，田忌按孙膑的计划，派自己的儿子田婴领兵一万，在离马陵道三里的丛林中设伏，待魏兵窜出峡谷后进行围追堵截，务必不让庞涓像上次一样再杀出一条血路死里逃生。部署已定，孙膑又让田忌将大队人马屯扎于山野之外三十里处，形成一个口袋状的大包围圈，以达到全歼庞涓和太子申部的目的。
当齐军布置妥当后，庞涓的大军也到了马陵山下。此时正是阴历十月下旬，最后一抹晚霞从西边的天际隐去，夜幕开始笼罩大地，整个山区显得一片苍凉、肃穆。突然，魏军先头侦察部队前来报告：“马陵山道发现断木塞路，难以前进。”庞涓听罢，看了看即将完全黑下来的天空，心想，齐军就在眼前，假如跨一大步，伸手可得。如果今夜放其翻过马陵山遁去，以后的追剿无疑将困难许多，常言道，过了这个村就无那个店了，一定得死死咬住，绝不能放松。尽管此时进山有军事冒险主义的成分，但除了冒险，别无选择。想到这里，他一咬牙，下令先头部队搬掉乱木，全力向前推进。
夜幕笼罩下的魏军精锐徐徐进入马陵山道，悬崖峭壁、草丛树木将惨淡的月光遮蔽起来，使狭窄的山道漆黑一团。越往前走，眼前越阴森恐怖，心中越发紧张，头皮阵阵发麻。庞涓有些悔意，想命令部队返回，但数万人马已经进入峡谷，身前身后乱树丛生，很难有回旋的余地，只好心存侥幸，硬着头皮继续闯下去。
不知过了多久，一群官兵摸索着来到了那棵齐军特意保留的大树旁，在偶尔显露的朦胧月光照耀下，忽有一眼尖嘴快的兵卒喊道：“树上有字！”众官兵围上来抬头一看，只见一棵突兀而立的大树黑乎乎地挡在道上，树身有一片明显泛白，上面隐约可见涂着什么文字，但由于月色太暗，一时看不分明。正吵吵嚷嚷间，有精明负责、惯以拍马溜须的官兵早已报知了庞涓。
位于甲子山孙膑洞内的庞涓马陵山中箭像（作者摄）
“他娘的，难道是遇到鬼了？”庞涓听到这件奇事，心中发慌，但还是装作若无其事的样子，怀着好奇带领几个亲信走马来到大树跟前。只见大树的空白处，确实有隐隐约约的字迹，但又看不清楚，庞涓令军士取火把照明，以便弄清真相。火把很快拿来，树上的一切尽显眼前。庞涓看罢，大惊失色，脱口说道：“这个瘫子，我今天又中了他的阴谋诡计了！”说罢，匆忙转身下令撤退。就在这时，对面山崖上火光突起，早已埋伏在山谷两侧的齐军看到动手的信号，顿时引驽发箭。具有强大威力的劲驽如骤雨狂风一般席卷了山道上的魏军。那当道而立的大树，更成为齐军弓弩手瞄准、射击的重要目标。在如蚁似蝗的乱箭之下，庞涓躲藏不及，顷刻间便成了一个刺猬。他于危难之中突然忆起了当年离开鬼谷时，老师鬼谷子曾说过的“遇马而卒”的话，现在自己身陷马陵道，可能是在劫难逃了。又忆起自己离开鬼谷时，面对孙膑所说的“死于乱箭之下”的咒语，庞涓一手扶树，强撑着身子直面箭雨，满含怨恨地说道：“我后悔当初没有杀掉那个瘫子，以致如今虎陷狼群，生生落于他的手里。唉，看来这都是上天安排的定数呀，天命难违，我庞某去也！”说罢，拔出随身佩带的宝剑自刎身亡。
战国中期，黄河流域一颗最为耀眼的将星在马陵山陨落了。
庞涓既死，魏军顿时乱上加乱，经过一夜的激战，太子申被俘，十几万魏军全面崩溃瓦解。这是齐军在孙膑的具体策划指挥下，继桂陵之战后在马陵所创造的又一个流传千古的光辉战例（这场战争的记载见银雀山汉简《陈忌问垒》篇）。
第二天黎明，在打扫战场时，有官兵将庞涓的尸体抬于孙膑、田忌跟前领赏，孙膑看到已成为血葫芦的庞涓，立即怒火中烧，悲愤交加，千头万绪涌上心头。为了发泄心中的愤怒和报当年膑刑之仇，他命兵士将庞涓的尸体抬到自己的专车前，取过一把长剑，“咔嚓”一声，将头颅斩下，说了句：“庞兄，咱俩的一切恩怨情仇今天算是一刀两断了，到阎王爷那儿咱再做同窗吧。”然后命人找根绳子将鲜血淋漓的庞涓头颅挂在了田忌乘坐的战车横木之上，借以宣扬军威，庆贺胜利。
马陵之战在让孙膑得以复仇的同时，也彻底改变了齐国与魏国的命运，历史的进程又一次得以改写。