于是，齐国君臣和墨翟一起，商定出一个巧妙的办法来：齐国派遣使臣向魏国进献贡物，墨翟弟子禽滑釐扮作侍从随行；齐国使臣和魏惠王、庞涓周旋，禽滑釐私下会见孙膑，并将孙膑密藏于车厢中；齐国使臣回国，神不知鬼不觉地带走了孙膑。庞涓不见孙膑，并未介意，以溺水为由，报告魏惠王说，孙膑死了。
孙膑回到齐国，住在田忌府中，很受赏识，被尊为上宾。齐国有赛马的传统，国王和大臣经常赛马，赌注高达千金。田忌参加赛马，总是一输再输，输了的金钱无数。孙膑给田忌出主意说：“赛马均分三拨，上等马对上等马，中等马对中等马，下等马对下等马。恩公可将下等马扮成上等马，应对大王的上等马，而用一等马应对大王的中等马，用中等马应对大王的下等马。这样，比赛的结果会是一负两胜，恩公必赢。”
田忌照办，果真连赢多次。齐威王询问原因。田忌如实相告，说这都是孙膑的计谋。齐威王由此看到了孙膑的过人之处，他善于用局部的损失来换取全局的胜利，而这，正是军事斗争中一条重要的原则。齐威王召见孙膑。孙膑畅谈兵法，充满谋略和智慧。齐威王大喜，立刻拜孙膑为军师。
公元前354年，魏国庞涓统兵八万，大举进攻赵国，包围了赵都邯郸（今河北邯郸）。赵国形势危急，赶忙向齐国求援。一年后，齐威王决定任命孙膑为将军，率兵救赵。孙膑谦逊地说：“臣乃残废之人，若任将军，显得齐国无人，必为诸侯所笑。”齐威王尊重孙膑的意见，改以田忌为将军，孙膑仍为军师，坐于战车中，为田忌出谋划策，不显其名。田忌主张进军邯郸。孙膑说：“不可。我军进军邯郸，必然和魏军发生正面冲突，难免会有伤亡。现在，魏军主力集中在赵国，国内肯定空虚。我们应当去包围魏都大梁（今河南开封），这样赵国的危险自会解除。”
田忌说：“围魏救赵，此计甚妙。”
孙膑说：“不仅如此。庞涓听说我军远袭大梁，必然回军救援，途中疲惫不堪，那时我们以逸待劳，打他个措手不及，必获全胜。”
田忌说：“一举两得，好！”
齐军一路张扬，直扑魏都，摆出一副夺取大梁的架势。魏惠王惊慌失措，急命庞涓回军。庞涓已克邯郸，正欲消灭赵国。怎奈王命难违，只能服从，抛弃辎重，日夜兼程，回救大梁。
孙膑接到报告，分析魏军回师，必经桂陵（今河南长垣西北）。他请田忌在桂陵山地埋伏重兵，张下罗网，单等庞涓到来。庞涓只想着齐军进攻大梁，根本没想到齐军会在中途设伏。他命魏军放心前进，完全进入了齐军的伏击圈。田忌一声令下，战鼓咚咚，杀声震天，齐军奋起，冲向魏军。魏军长途跋涉，十分疲劳，士气低落。他们人困马乏，仓皇应战，甚至不知道敌人是谁。齐军打的是有准备之仗，避实击虚，攻其不意。结果，魏军大败，几乎全军覆没。庞涓跑得飞快，这才保住了性命。事后，他知道孙膑还活着，而且到了齐国，围魏救赵，正是孙膑的计谋。他忌恨得要死，发誓还要与孙膑比个高低。
当时，魏国力量很强，多次发动兼并战争。公元前342年，魏国进攻反叛的韩国。韩国招架不住，派人向齐国求救。齐威王召集会议商讨对策。宰相邹忌反对救韩，主张隔岸观火。田忌主张救韩，因为韩国灭亡，战火就会延及齐国。双方争执不下。齐威王征询孙膑的意见。孙膑说：“依臣之见，应当救而不救，不救而救。”
这话把所有人都弄糊涂了，谁也不明白其中意义。孙膑说：“现在，魏韩之战刚刚开始，我们若救韩，就会把魏军的矛头吸引过来，这对我们不利。因此，我们可以答应救援韩国，但不能立即出兵，等待时机。等到韩国实在难以坚持、魏国也有很大消耗的时候，我们出兵，必能取得事半功倍的效果。这就叫救而不救，不救而救。”
众人点头，称赞这是最好的计策。因此，齐威王一面答应韩国的要求，同意救援；一面却按兵不动，坐等良机。
韩国得到齐国救援的承诺，军心大振，拼死抗击魏军。魏军毕竟强大，逐渐占了上风，但也遭受了重大损失。孙膑审时度势，说：“我们该出兵了。”齐威王乃以田忌、田婴、田盼为将，孙膑为军师，发兵救韩。孙膑仍用围魏救赵的战法，并不直接进军韩国，而是扬言围攻大梁。魏惠王再次紧张起来，忙命庞涓和太子魏申舍弃韩国，统领十万大军，迎战齐军。两军对峙，虎视眈眈。庞涓自恃其能，骄傲轻敌。孙膑针对庞涓的弱点，建议田忌说：“兵法云：百里而趋利者蹶（挫）上将，五十里而趋利者伤其军。庞涓历来狂傲，轻视齐军，急于求战，以获其利。这一弱点，正好可以利用。我们不妨佯装撤军，用减灶的方法，引他上钩。”
田忌依计而行。数日后，庞涓忽然接到报告，说齐军撤退了。庞涓以为齐军是怯战而退，不假思索地说：“追击！”追击途中，他特别留心齐军宿营地的灶数。灶就是军队行军时做饭的简易炉灶，根据炉灶的多少，可以判断出军队的数量。第一天，他清点齐军炉灶为十万，意味着齐军至少有十万人；第二天，他清点齐军炉灶为五万，意味着齐军已减少一半。第三天，他清点齐军炉灶为三万，意味着齐军只剩下三万人了。庞涓欣喜若狂，命令舍弃辎重，加快追击的速度。魏申担心魏军的做法。庞涓自作聪明地说：“庞某熟知齐人，畏敌怯战。孙膑、田忌撤退，正是他们逃亡的机会。灶数最能说明问题，从十万减至五万，再减至三万，三天里逃亡的士兵过半，这样的军队还能打什么仗？所以，我们不能给齐军喘息的时间，放心追击，这次非生擒孙膑、田忌不可！”
孙膑、田忌见庞涓穷追不舍，恰恰中计。齐军退至马陵（今河北大名东南），孙膑利用有利地形，作出部署：万余名弓箭手，埋伏于山谷两旁和树林背后；砍倒一些树木，削去一株高树的树皮，在上面刻下大字，涂以白色：“庞涓死于此树之下。”他吩咐弓箭手说：“晚上见到火光，就一齐放箭。”田忌等按照孙膑的安排，也分别进入阵地，等待厮杀。
晚上，庞涓带领大军到达马陵，发现许多树木横在路中，并看到高树上刻有字迹。他命人点亮火炬，照看字迹，这一看，三魂吓掉两魂，惊呼说：“上当了！上当了！”他忙下令退兵。说时迟那时快，齐军弓箭手记着孙膑的吩咐，万箭齐发，射向魏军。魏军大乱，死于乱箭者不计其数。田忌、田婴、田盼突出掩杀，活捉魏申。庞涓智穷兵败，走投无路，叹息说：“我终不如孙膑，遂成竖子之名！”当场自刎而死。魏军失去主帅，成了一群没头的苍蝇，或死或伤或降，基本上是全军覆没。
桂陵之战和马陵之战，孙膑用最小的代价换取了最大的胜利，把不可一世的庞涓置于死地，也使魏国每况愈下。孙膑名显天下，各国诸侯无不佩服。齐威王准备给他加官晋爵。然而，孙膑拒不接受，反而请求辞去军事职务，就像先祖孙武那样，激流勇退，潜心研究兵法。他在前人军事理论的基础上，结合自己指挥战争的新鲜经验，著成《孙膑兵法》一书。《孙膑兵法》已经失传。1972年在山东临沂银雀山西汉墓中，重新发现该书的残简，从中可以看出孙膑的某些军事思想。