不久后，魏国庞涓入侵赵国，兵围邯郸，赵国面临灭亡之危。齐王为了援救赵国，本想以孙膑为将。但是孙膑却说自己是刑余之人，应以与自己交好的田忌为将。最终，孙膑坐在战车内，与田忌一起出发。公元前354年，孙膑以围魏救赵之计击败魏军，生擒庞涓，赢得了桂陵之战的胜利。
公元前343年，魏国卷土重来，他们以庞涓（桂陵之战后被齐国释放）为将，大举入侵韩国。而这一次，齐威王同样以田忌、孙膑为搭档，援救韩国。在这场战役中，孙膑以减灶之法迷惑了庞涓，导致其中伏而死。随后齐军趁势掩击，导致魏军大败，甚至连太子都被俘虏。从此让魏国的霸业一蹶不振。
马陵之战中，田忌击破强魏，立下了盖世奇功。而孙膑趁此机会，露出了自己隐藏多年的狐狸尾巴。他故作神秘地对田忌说："将军有意做一番大事吗？"田忌问："什么大事？"随后孙膑说：
"将军无解兵而入齐。使彼罢弊老弱守于主。主者，循轶之途也，击摩车而相过。使彼罢弊老弱守于主，必一而当十，十而当百，百而当千。然后背太山，左济，右天唐，军重踵高宛，使轻车锐骑冲雍门。若是，则齐君可正，而成侯可走。不然，则将军不得入于齐矣！"
