田忌常和齐国的宗室公子们作跑马比赛，同时还押重金赌输赢。可是田忌赢的次数并不多。孙膑看过他们角逐的马匹，脚力都相去不远，但却可区分成上、中、下三种等级。于是孙膑便胸有成竹地对田忌说：“下次有跑马比赛时，您只管放胆下重金去和他们赌输赢，我自有办法会叫您获胜。”田忌深信他所说的话，就去报名参加，同齐王和其他的公子们押千金为赌。等到临场比赛，孙膑向田忌面授机宜说：“现在第一场用您的下等马去同他们的上等马周旋；到第二场，就用您的上等马去对付他们的中等马；末场则用您的中等马去对付他们的下等马。”待三场赛完下来，田忌的只输一场而赢两扬，结果以总分取胜，而赢得了齐王的千金。齐王很惊异田忌的取得胜利，于是田忌便将孙膑传授赛法的机密告诉齐威王，并将孙膑推荐给齐威王。齐威王便向孙膑问些兵法的事，交谈之下，威王大为佩服，当下就拜孙膑为军师。
　　
　　不久，魏国出兵攻打赵国，赵国情势危急，向齐国求救。齐威王本想用孙膑为将，可是孙膑辞谢说：“受过酷刑，身体残废不全的人，不宜担任主帅。”于是齐威王这才改派田忌为将，不过还是拜孙膑为军师，让他乘着设有帷幔的轻便小车，安坐其中，专为主帅出计谋。根据田忌的意思，本来是想领兵直趋赵都，以解邯郸之围的，可是孙膑却告诉他说：“凡是要解开杂乱打结绳索的，一定要冷静地找出它的结头，然后用指慢慢去解，切不可心急，使劲去扯，或猛用拳头去捶；还有要排解互殴狠斗的，万不可卷入打成一团，而要避开双方拳来脚往的地方，只消伺隙用拳猛袭其中一方空虚无备的腹位，待挨揍的双手捧着肚子跪下，那么原本对打的情势，便会有所改观，而互殴的局面，也会顿时停止，那么这场架自然也就解开了。现在魏国出兵攻打赵国，跟赵缠斗于邯郸，他的轻兵锐卒，势必倾巢开赴前线，只剩一些老弱的留守国内。您何不用此空隙，带兵直捣大梁，占据他们的交通要道，袭击他们守备空虚的地方，那么他们在外的大军，必然会放下赵国赶回相救。如此一来，我们岂不是一举解决了赵国的危急，同时还叫魏国受到窘困的弊害吗？”田忌认为孙膑的话很有道理，便照着去做。魏国的部队，果然撤去对邯郸的包围，急忙赶回大梁相救，在桂陵的地方，跟齐军发生遭遇战，结果，齐师大破魏国的部队。
　　
　　桂陵之战后的十三年，魏国伙同赵国去攻打韩国，韩国向齐国告急。齐王仍派田忌为将，并以孙膑为军师，一同前往救韩。孙膑和田忌还是采用攻打魏国后方的战法，率军迳向魏国的大梁进发。魏将接到齐师将偷袭后方的警报，便舍弃攻韩，连忙赶回相救。这时，齐国的部队已出了国境而向西面的魏国进袭了。孙膑知道庞涓的部队将到，便对田忌说：“他们三晋的战士，一向强悍勇敢而轻视齐兵，齐兵也因之被称为胆小怯弱。一个善于作战的将领，要会顺应这种情势，加以有利的引导。兵法上讲：‘用急行军赶百里路去争利的，会折损领头的上将；用急行军赶五十里去争利的，只能有一半的部队能赶到。’现在敌人如果恃勇轻敌而冒险急进的话，那对我们是最好不过了。我们也宜诈为怯弱以诱他轻进，诱他轻举妄进的办法是：当我军跨入魏境歇息的第一天，要部队挖可供十万人煮饭用的灶；到第二天安营时，只要挖可供五万人用的就好；到第三天，只要挖三万人用的就行了。”庞涓跟在齐军后面追赶了三天，看到齐军营灶日渐递减的情形，便非常高兴地说：“我早就知道齐军胆小怕死，进入我国境内才三天，士卒就已逃亡过半数了。”于是庞涓就抛下步兵辎重，只带他的轻装健儿，昼夜兼程，拼命追赶。孙膑计算他的行程，算定他在黄昏日暮时刻，当会赶到马陵。马陵这个地方，路狭道窄，两旁又多险阻，很适宜设兵埋伏。孙膑便命士兵砍去一些树木以塞去路，并选一棵大树，将那大树面路的树干，砍去树皮，让它露出光滑洁白的树身，然后在上面写下“庞涓死于此树之下”等几个大字。于是又下令军中善于射箭的人，共拿万张强弩，夹道埋伏，约定：“晚间但见大树底下有人点火，就万弩齐往发射。”庞涓一路追赶，果然在当夜赶到那棵大树底下，抬头看见光滑的树身，仿佛若有字，于是就点火照看，可是字还没读完，齐军已万弩齐发，箭如雨下，魏军大乱，彼此窜逃失散。庞涓自知智穷兵败，绝难脱身，于是拔剑自刎，临死时，还愤愤地说：“悔不早杀那刖夫，如今反成就了这小子的声名！”齐军因而乘胜追击，彻底击溃魏军，并俘虏魏太子申而还，孙膑因此名扬天下，后世也传下了他的兵法。