这之后的十几年里，孙膑没有主动找庞涓报仇，但正所谓''君子报仇，十年不晚''，周显王二十七年（前342）的一天，孙膑等来了机会。这年，魏国进攻韩国，韩昭侯急忙向齐国求援，而孙膑则采用围魏救赵之计，直接指挥齐军向魏国首都大梁进发。
作为昔日师兄弟，孙膑对庞涓的能力还是心里有数的，知道如果仅仅是如此简单的计谋，对方未必会轻易上钩。
于是，孙膑采用了''连环计''。进入齐国境内的第一天，他先是让士兵们在埋了十万个用来做饭的土灶；第二天，他让士兵们将灶减少到五万；第三天，他更是要求士兵们只设置三万个灶。得知齐军直奔大梁，庞涓当即决定率军回援，但他又害怕贸然撤军会被齐人以逸待劳打伏击，所以时刻谨慎小心，回撤的速度也是慢上加慢，力求稳妥。
结果，当他看到齐军的土灶越来越少时，当即喜不自胜，认为这是齐军怯战，所以进入魏国后就四散逃跑。于是，庞涓立刻做出了率领少数精锐快速追击，打士气低迷的齐军一个措手不及的决定。结果，棋高一着的孙膑早就在地形狭窄的马陵设下伏兵，估算好时间等待着庞涓的到来了。
终于迎来报仇机会的孙膑难掩激动的心情，派士兵将一棵大树的树皮砍下，露出其中的白色木质，并在其上写了''庞涓死于此树之下''的字样。
天色渐暗，庞涓率领精锐部队意气风发地赶来，一眼就看到了大树上隐隐约约有字，他打着火把前去观看之际，齐军万箭齐发，将他身边的士兵射杀殆尽。见孙膑早已设好了埋伏，庞涓自知无力回天，便自刎而死，临死之前，他还十分不甘地大喊道：''遂成竖子之名！''。
从总体上看，孙膑对庞涓的复仇主要是在以下几个方面：首先，孙膑将庞涓逼死，让后者以付出生命的代价偿还曾经的过错，这属于以牙还牙、以眼还眼；其次，此战过后庞涓名声扫地，而孙膑则成为了人们眼中料事如神的大军事家，这是在社会评价上让庞涓承受孙膑当年所受的苦；最后，孙膑有些恶趣味的''树上题字''行为，则是从精神、情感上，让庞涓也承受自己当年感受到的绝望和痛苦。
