公元前354年，魏国以庞涓为将率军伐赵，兵围邯郸。次年，邯郸在久困之下已岌岌可危，而魏军也因久攻不下，损失很大。齐国应赵国之请，以田忌为将，孙膑为军师，率军击魏救赵。孙膑令一部轻兵乘虚直趋魏都大梁，而以主力埋伏于庞涓大军归途必经的桂陵(今山东省菏泽市或河南长垣)之地。魏国因主力远征，都城十分空虚。魏惠王见齐军逼进，急令庞涓回师自救。刚刚攻下邯郸的庞涓闻大梁告急，急率疲惫之师回救。至桂陵时，遭到齐军迎头痛击，几乎全军覆灭庞涓仅以身免。这便是历史上著名的“桂陵之战”。
12年后，魏国在国力恢复之后，再次发动战争，将矛头指向了自己的另一邻国——韩国。韩国难以抵挡强大的魏军，遂派使向齐国求救。齐威王采纳孙膑“深结韩之亲而晚承魏之弊”的建议，在魏韩两国几经激战、韩危魏疲之际，再次以田忌为将、孙膑为军师，出兵救韩。孙膑依然采用围魏救赵的计策，率兵长驱魏境，兵锋直逼大梁。魏国鉴于桂陵之战的教训，遂撤韩国之围，调10万大军，以太子申为上将军、庞涓为副，准备与齐军进行一场战略性决战。孙膑为调动敌人，创造战机，果断引兵东撤。一路上，他用减灶计造成齐军大量逃亡的假象，以诱敌深入。庞涓果然上当，便丢下步兵，率轻骑精锐，兼程穷追。至马陵时，遭到齐军主力伏击，庞涓智穷力竭，愤愧自杀。齐军遂全歼魏军，俘太子申，取得了马陵之战的重大胜利。
马陵之战后，田忌遭宰相邹忌的陷害，被迫流亡楚国。孙膑辞官归隐，潜心军事理论研究，终于写成了流传千古的军事名著——《孙膑兵法》。