蔡侯回国后，联合晋、宋、齐、鲁、卫、陈等国，共同伐楚。路遇大雨，晋军归国，其他国家的军队也纷纷回国。蔡侯又想约吴国伐楚。冬天，吴王拜孙武为上将，伍子胥为副将，集结全国兵力，联合唐、蔡二国，出师伐楚。
联军北上，顺着淮河西进，吴军越过了蔡国，孙武下令：“军士登陆，徒步前进。”吴军昼夜兼程，向楚国边境火速前进。
楚国召集大臣举行军事会议，商议选将御敌。双方争论不休，被吴国的间谍探知。伍子胥派间谍放风说：“如果让公子结为将，我们就取他的人头，让令尹子常率兵，我们只能退避三舍。”楚王中计，拜令尹子常为将。
子常指挥20万楚军，赶往前线。楚军刚来到汉水南岸，吴军早已到达汉水以北。孙武下令在豫章地区安营扎寨。楚将子常认为吴军千里远征，粮草运送困难，一定会采取速战速决的战略。没想到，吴军却按兵不动。子常也命令楚军扎营，严加戒备。
左司马沈尹戍说：“孙武按兵不动，犯了兵家大忌。将军在此暂时拖住吴军。我率领本部兵马，烧毁吴军的战船，坚守大隧、直辕、冥陌。将军覾头痛击，我再从背后偷袭。”
子常同意，沈尹戍立即率军绕道而行。武城黑对子常说：“两军相持不下，对楚军不利，不如速战速决。”史皇对子常说：“楚人憎恶将军，爱戴左司马。如果左司马毁舟成功，就独自抢了战功。将军应该赶在左司马行动以前进攻。”
子常不顾和左司马沈尹戍的约定，下令强渡汉水，在大别山一带，安营扎寨。吴军因腹背受敌，个个奋勇冲杀。子常率领的楚军背水作战，也拼死抵抗。双方大战三次。楚军人多，但素质低，指挥混乱。楚军且战且退，退到柏举。两军相持几日，夫概向吴王请战：“我军先发起进攻，楚军必乱。我军再大举进攻，定能取胜。”吴王不同意夫概的意见。
但夫概不顾吴王的反对，偷偷率领五千兵马，趁楚军还没有吃饭的时候，发起猛攻。楚军被杀得不辨东西，孙武立即率主力杀了过去。楚军纷纷奔逃，子常也逃跑了。楚军成为一盘散沙，一败涂地。
吴军在清发水追上了楚军。楚军正在抢舟夺船，吴王刚要下令进攻，夫概说：“应该给渡河的楚军一条生路，剩下的楚军就会只顾逃命。我军再趁机发起进攻。”吴王同意了。楚军被杀很多，淹死者更多。
逃过河的楚军，慌忙埋锅做饭。吴军赶到，楚军只好忍饥逃跑。吴军吃饭后，继续追杀。
楚军逃到雍噬，前有汉水，后有吴军。左司马沈尹戍领另一路楚军赶到，击退了吴军。后来，孙武率吴军主力赶到，双方在雍噬大战三次。楚军人困马乏，被吴军打败。左司马沈尹戍怨恨子常不守约定，愤而自杀。
楚军全线溃逃，涌向郢都，郢都暴露在吴军面前。孙武指挥吴军抢渡汉水，直抵郢都。吴军过了虎牙山，来到当阳阪。孙武看到漳河水势汹涌，郢都地势低洼。孙武命令吴军在高处驻扎，限一夜之间，掘开深壕。天亮时，吴军凿开漳河河堤，絓水一泻千里。楚国军民竞相逃命，郢都城下一片汪洋。
吴军乘筏，顺着絓水冲到郢都城下。楚昭王乘舟从西门逃走。孙武命人守住漳河河堤，掘开水坝，放水归絓。这时，伍子胥率另一路吴军攻下了麦城。吴王阖闾率军进驻郢都。
在吴楚大战中，孙武指挥3万吴军，打败楚军20万，威震诸侯。后来，秦国出精兵，帮助楚国收复了郢都。楚国把国都迁到（今湖北宜城东南）。
此后不久，孙武向吴王提出辞官还乡的请求。吴王感到震惊，派伍子胥劝孙武。孙武说：“我本不想当官，只是想试用兵法。现在我的身体一天不如一天，求您替我在大王面前解释。”
吴王阖闾不好勉强，把富春一地送给孙武。孙武如愿以偿，归隐田园。越王允常逝世，勾践即位。吴王阖闾趁机伐越。勾践率越军覾敌，双方展开大战，吴王阖闾被砍断了脚趾。阖闾死前把王位传给夫差。
三年后，伍子胥到富春看望孙武。来夫差和伍子胥多次商议，请孙武挂帅。孙武婉言拒绝，同时暗示伍子胥隐退民间，安享晚年。
但伍子胥坚持要请孙武出山，孙武说：“看在你我的交情上，我就再献一计吧！“伍子胥只好答应。孙武说：“越国大夫文种、将军范蠡精通谋略，一定会阻止勾践离开会稽，因此必须激臷勾践。我们派一支轻骑兵，从太湖渡船南下，在越国的西北方登陆，骚扰越军，激臷勾践。一旦勾践离开会稽，吴军主力立即进攻会稽。那支轻骑兵必须不断地扰乱越军。当双方主力接触时，骑兵要在越军后方摇旗呐喊，不断骚扰。不能把越军逼到绝路，要给越军留下逃生之路，趁机歼灭它。“吴军依计歼灭了越军，越王勾践成为吴国的人质。由于伯接受了越王的贿赂，说服夫差放勾践一马。夫差派伍子胥前往富春重谢孙武。
吴国的争霸活动在南方地区取得胜利后，便向北方中地区进逼，公元前485年，夫差联合鲁国，大败齐军。公元前482年，夫差又率领着数万精兵，由水路北上，到达黄池（今河南封丘县南），与晋、鲁等诸侯国君会盟。吴王夫差在这次盟会上，以强大的军事力量为后盾，争得霸主的地位。孙武虽没有直接参加攻齐取胜、与晋争霸两事，但在此前孙武精心训练军队和制定军事谋略，对夫差建立霸业有不可抹杀的巨大贡献。
是《孙子兵法》的作者
孙武最伟大的功绩就是编撰了《孙子兵法》一书。《孙子兵法》有十三篇五千字，讲的全部都是如何克敌制胜的战略战术，体现了完整的军事思想体系。《孙子兵法》以其卓越的见识深深影响了后世，受到古今中外军事家的广泛推崇。古今中外的军事家一致尊崇此书作者为”兵家之祖”。三国时著名的政治家、军事家曹操盛赞《孙子兵法》，他亲自整理前人对《孙子兵法》的研究，作成简明的”略解”，为后人学习运用《孙子兵法》提供方便。宋代，《孙子兵法》作为《武经七书》的第一部，成为科举中武科考试的理论科目，《孙子兵法》从此在社会上得到广泛的流传。同时，《孙子兵法》也向越南、朝鲜、日本、以色列乃至英、德、俄等国流传。
然而，这部著作作者到底是谁呢？学术界议论纷纷，一种意见认为是春秋时期吴国的孙武所著，一种意见认为是孙膑整理而成，甚至还有人认为是战国初年某位山林处士编写，更有甚者还有的说是三国时代曹操编撰的。
《史记·孙子吴起列传》说，春秋战国时期有两个”孙子“——孙武和孙膑，孙武是春秋后期吴国的将军，孙膑是战国中期齐国的军师，他们各有兵法传世。《汉书·艺文志》”兵权谋家“中，也著录有《吴孙子兵法》和《齐孙子》两种。唐颜师古注前书的作者是”孙武”，后书的作者是”孙膑”。然而、孙膑的兵法书自东汉末年以后就失传了。这样，两个”孙子“只有一部《孙子兵法》。于是，自宋代以来，就引起了许多人的怀疑和猜测。有人根据《孙子兵法》阐述的多是战国时代的情况，就认为此书源出于孙武，而完成于孙膑；有人则干脆主张，它是孙膑所作。
由于”孙子“有两个，而《孙子兵法》只有一部，不少人更怀疑起孙武其人的有无。宋人叶适根据《左传》中毫不提及孙武，而《史记·孙子传》叙孙武用兵”试以妇人”，其事”奇险不足信”，因而指出：“故凡谓穰苴、孙武者，皆辩士妄相标指，非事实“（《习学记言》）。清人全祖望完全赞同上述观点，认为：“吴未尝有此人，而其事其书皆纵横家所伪为“（《亭集·孙武子论》）。现代学者齐思和撰《孙子兵法著作时代考》也主张：“孙武实未必有其人，十三篇乃战国之书“（《燕京学报》第26期）。
还有人认为，孙武就是孙膑。如日本学者斋藤拙堂作《孙子辨》一文论道：“孙武与孙膑，毕竟同是一人，武其名，而膑是其绰号“（见絓侠庵编译《先秦经籍考》中册）。现代学者钱穆也指出：孙子在吴、齐两国都待过，太史公莫能辨，遂”误分以为二人“（《先秦诸子系年考辨》）。可见学术界在这个问题上说法之纷纭离奇。
这场争论，直到1972年4月间，在山东临沂银雀山发掘的两座汉代墓葬中同时发现了用竹简写成的《孙子兵法》和《孙膑兵法》，这样，数百年的争论方告结束，确认孙武就是《孙子兵法》的真正作者。
孙武的故乡在哪里
孙武率领吴军”西破强楚、北威齐、晋，南服越人”，立下赫赫战功，威名远扬。但是，孙武十分礬泊名利，选择了辞官归隐。孙武的不事张扬，让后世人更加好奇。人们对他的故乡所在地，就争论不休起来。
《新唐书·宰相世系表》记述道：“齐田完，字敬仲，四世孙桓子无宇。无宇二子：恒、书。书字子占，齐大夫，伐莒有功，景公赐姓孙氏，食采于乐安。书生凭，字起宗，齐卿。凭生武，字长卿，以田、鲍四族谋为乱，奔吴，为将军。“乐安”，就是孙武的老家。昔日的乐安，今天又是哪里呢？
一是山东惠民。唐代天宝以后，只有乐安郡称乐安，而山东惠民县是乐安郡辖区的最大县。唐杜佑编的《通典·州郡十》记述说：“棣州（今厌次县），春秋战国属齐，（唐代）或为乐安郡，领县五：厌次县”，厌次县就是今天的惠民县旧称。据惠民县史志工作者考察：惠民县城南有孙武庙，城北还有孙武家庄，孙姓人家都认定自己是孙武后代。惠民县根据这些遗迹和传说，于1991年竖立起孙武的石像，隆重纪念这位伟大的军事家。
文史工作者郭化若、陶汉章、吴如嵩、黄葵等，也认为惠民应是孙子故里乐安。但是还有一个问题：乐安郡辖五县，惠民仅是其中之一。不好判断惠民就一定是孙子故里。
二是山东广饶。1991年2月的《人民日报》曾转载一条消息：说三十余名专家学者到山东广饶考察，考定此地确为孙武故里。这些专家分析道：山东广饶自古多称乐安。南朝宋时设置乐安郡广饶县治，金熙宗元年（公元1138年）更名乐安县，民国三年（1914年）才更名为广饶。广饶县古称乐安长达七百多年，极有可能就是古时乐安，孙武故乡。
然而，史学工作者们提出：虽从金代以来广饶称乐安七百多年，但与《新唐书》所指乐安是两码事儿，不能认定广饶就是孙武故乡。
三是山东博兴。《汉书·地理志》中”千乘郡“所辖十五县中，便有”乐安”。复旦大学史地研究所编写的《中国历史地名辞典》写道：“乐安县，西汉置，治所在今山东博兴县。“因为，有”汉承秦制“一说，西汉的乐安也就是秦之乐安，秦之乐安可能就是齐之乐安，那么今日之博兴有可能是齐时乐安。《续山东考古录》、《博兴县志》也记载着博兴县境内确有乐安故城。此地似乎应该是孙武故乡无疑了。
然而，问题在于：春秋时期，齐国并无”乐安“地名。《新唐书》所述孙武的故里乐安，实指唐时乐安；今之博兴，在唐时却叫”博昌”。看来，说博兴就是孙武故里也难以令人信服。
军事天才孙武的故乡，也像他本人那样神龙见首不见尾，让后世人雾里看花一般，捉摸不定，心中永远留下谜团。