而在攀谈之间，齐威王折服于孙膑的智谋、学识，把他当成老师，时常请教。而在当时的社会环境之下，齐国的强邻魏国在经过了战国初期的魏文候改革、李悝变法、吴起变法后逐渐成为战国初期实力最为强大的国家。魏惠王时，魏国更是将矛头指向了曾经三家联盟的赵国。而后便命令庞涓领军攻打赵国，赵国国都邯郸被围，情势迫在眉睫。赵国便向齐国求援，而齐威王自然不能坐视魏国做大。于是，齐威王答应出兵救援，而且还委任孙膑为主帅。但是孙膑由于被庞涓残害身体不便，便主动请辞，推举对自己有知遇之恩的田忌为主将，而自己则"居辎车中，坐为计谋。"担纲军师一职。
面对当时赵国邯郸危在旦夕的局面，虽然主帅田忌想直驱邯郸解救，但是孙膑却说，才是不如直取兵力空虚的魏国。于是"围魏救赵"的典故便由此而来。而在得知魏国都城被围困，庞涓只得赶紧撤军救援，而孙膑对于这位出自同门的同窗行军自然亦是心知肚明。在桂陵设下埋伏，大败庞涓。
而就在庞涓逃回魏国，重整旗鼓之后，二人又迎来了一次对决。公元前341年，魏国攻打韩国，而韩国本就是三家分晋之中实力最为弱小的一个，自然是无力抵御，便向齐国求救。而齐威王又一次派兵前往征讨。田盼为主将，孙膑再次为军师。而围魏救赵的戏码又一次上演，而庞涓只得又一次撤军回救，但这一次庞涓显然更加小心。但就在孙膑命令士兵不断"减灶"示弱之下， 庞涓还是轻信突进，最终在马陵之地孙膑早就为庞涓扎好了口袋，甚至还命兵士"斫大树白而书之曰'庞涓死于此树之下"，而庞涓还未待读完，埋伏在侧的齐国军队万箭齐发，魏军已被消灭殆尽，而庞涓也眼见大势已去，便自刎而死。
