老成持重的田忌老将军对孙膑有知遇之恩，孙膑一直非常尊敬田忌。他谦虚地说：“在救不救韩国的问题上，我完全同意田老将军的意见。因为救不救韩是个战略问题，至于如何救，为什么要晚出兵，这是实施战略的具体方法问题。魏国迁都大梁以来，一直将齐国视为战略对手，必欲灭之而后快。桂陵之战，魏军虽受重创，我们也暂时遏制了魏国东进的势头，给自己赢得了壮大实力的时间。但随着魏国国力的恢复，齐国和魏国迟早要打一场恶仗。而且，这次魏军攻韩，不过是声东击西，引诱齐军出战，歼灭齐军。因此，齐军必须做好与魏军进行战略决战的充分准备。至于为什么不立即出兵攻魏来救韩国，我也只是认为这样不合算。因为我从各种迹象初步判断，这次魏国攻打韩国，对齐国出兵救韩的可能性是考虑到了的，也是早有准备的。虽然齐国的技击之军已足以与魏军相抗衡，但直接出兵伐魏，必败无疑。毕竟，魏国的武卒，多年来攻必克，战必胜，除了桂陵之战受到挫折外，仍然堪称天下无敌，其强大的实力不可小觑。因此，救韩与上次救赵不同，不能再沿用‘围魏救赵’的战法，所谓‘战胜不复’。总而言之，战法必须讲究变化，救韩的战法不能与救赵的战法雷同。但到底应当采取何种战法，还得容我综合考虑各种情况后再给一个答复。”
齐威王听了以上分析，虽然坚定了出兵救韩的决心，但他与田忌一样，对未来的齐魏决战如何实施，心中也没谱，于是命令孙膑再认真考虑一下作战方案。
回到府中，孙膑陷入了苦苦思索。即将到来的齐魏决战关系到齐国争霸天下的战略，由不得半点马虎和闪失。他忽然想起孙武《十三篇》的教导，“兵以利动”“故善动敌者，形之，敌必从之；予之，敌必取之。以利动之，以卒待之”。打败实力强大的魏军，全在一个“诱”字上，只要善于“示形”，“取之”也就不难了。因为，军队的强与弱、虚与实、劳与逸并不是一成不变的，指挥官只要发挥主观能动性，运用智谋，“以利动之”，积极“示形”，就可指挥和调动敌军，让敌人产生骄傲和侥幸心理，轻率麻痹，并导致敌人的主力疲于奔命，离开有利阵地依托和地形条件，形成分散之势。这样，敌人机动力再强，也经不起反复折腾，敌人兵力再多，也难以前后左右照应。如此，弱军就可以形成局部的优势，然后“以卒待之”，实施反击，迫敌就范。
计谋已定，孙膑立即去晋见齐威王，他胸有成竹地向齐威王汇报说：“现在齐军同魏军相比，正如同赛马一样，魏军强大，有五成把握可以取胜；齐军弱小，六成之中只有一成取胜的把握。我们齐军这次同魏军进行战略决战，要战胜魏军，只有一个办法，那就是调动敌人，夺取战争主动权。通过示形用诈、示假隐真，诱敌上当。至于具体的诱敌破敌之策，可以如此如此……”
齐威王听罢连连称赞，即日下令齐军出发，并吩咐田忌，届时一切军事行动都要按军师的神机妙算进行。
（四）马陵之战
韩国得到齐国出兵援救的允诺，人心振奋，众志成城，奋起抵抗魏军的进攻。但终究实力不支，虽奋勇抗战，而五战皆败。在韩国危亡之际，公元前341年，齐威王决定以孙膑为军师、田忌为主帅，率齐军十万大军前去救援。田忌和孙膑没有去韩国与魏军直接交战，而是率军直趋魏国国都大梁。这似乎是桂陵之战的故技重演。
就在齐国大军逼近边境的第一天，庞涓就得到了军情急报。不久，侦察人员又提供了更为详细的情报，齐军从高唐方向越过魏齐边境，分三路齐头并进，打着田忌、孙膑等齐军将领的旗号。
魏军主帅庞涓一得到齐国出兵救韩的消息，更是“新仇旧恨”一齐涌上心头。其实，在出兵攻打韩国之前，庞涓就分析了齐军行动的可能性。他判断，齐军定会出兵救援韩国，而且仍然从阿、-、高唐方向出发，必然是上次“围魏救赵”的故技重演。这样，一旦魏国撤韩国之围，回头迎击齐军，齐军决不敢同魏军正面交锋，进行野战，而会退回到防御坚固的阿、-、高唐一线，据险固守。为了能够在野战中歼灭齐军，庞涓设想，一是按照魏惠王的部署，以一部分兵力待机于卫国的濮阳，一旦齐军从阿、-方向西进，就先不惊动它，放开大路，让其深入；二是由自己率领魏军主力主动从大梁东出，迎击齐军。从各方面情况看，齐军必然不敢同自己率领的主力正面交锋，而很可能向阿、-撤退。这时，预先待机在濮阳的魏错将军的部队即可阻断其归路，迫使齐军折而向南，转经宋国境内撤往齐国，而自己则率领魏军主力借道宋国的外黄（今河南民权西北）予以追击，预计在定陶之南、丹水之北可以追上齐军，与其进行决战。
庞涓还向魏惠王提出了这次作战的战略方针，即不要仅仅限于在野战中歼灭齐军，而且要更进一步。他分析说：“齐国的防御重点在其西部边境，即阿、-、高唐方向，此处既有济水、大野泽和泰山之险，又有长城作为屏障，齐国在此集结重兵，无非是为了保证其国都临淄的安全。此次作战，我们在野战中重创齐军主力之后，下一步最好由魏错将军率偏师虚张声势，摆出从阿、-进攻临淄的姿态，则由我率领主力出其不意地向其防御薄弱的莒（今山东莒县）、郯（今山东郯城）出击，席卷齐国南境，然后，与进攻阿、-的魏军南北夹击，一举掠定齐地。”
一场恶战已是箭在弦上，不可避免了。但是，齐军在出动三天后，一遇到赶回来迎击的魏军，稍一接触，便突然向南撤退了，而南边一直是齐国防御比较薄弱的方向。原来，如何对付强大的魏军，孙膑早已胸有成竹。他针对魏军强悍善战，素来轻视齐军的实际情况，判断魏军一定会骄傲轻敌，急于同齐军进行决战。因此，他认为要战胜强大的魏军，就不能和魏军过早决战，而是避其锐气，要“能而示之不能，用而示之不用”，巧妙地利用庞涓骄傲轻敌的致命弱点，“以利诱之”，牵着魏军鼻子走，诱其深入，使其疲惫，然后再予以致命一击。
为此，孙膑向田忌建议说：“魏国的军队一向骄傲轻敌，他们仗着自己训练有素，勇猛善战，认为齐军没有战斗力，不把齐军放在眼里。加之他们现在急于求战，一定会轻兵冒进。我们可以利用魏军这一弱点，假装撤退，诱其追击，乘隙予以致命的打击。兵法上说，如果急行军上百里去争利，就会使先头部队有损兵折将的危险；如果赶往五十里外去争利，也只能有一半部队能如期到达目的地。我们这样做正符合兵法的原理。”
孙膑还具体设想了诱敌的方法，那就是在与魏军接触后就假装败退，掉头向东，沿丹水一线向齐国南境撤退。这一撤军路线，可以绕过齐军西部防线，而齐国南境又是其防御的薄弱环节，这会使一心要报复的魏军主帅庞涓认为有机可乘，于是做出追击齐军的决策；同时，在退却过程中实施“减灶诱敌”，让魏军以为齐军每天有大量士兵逃亡，战斗力迅速下降，从而不顾一切地追击。
齐军主帅田忌按照孙膑提出的诱敌深入之计，制定了具体的作战方案。魏军与齐军一接触，齐军就立即后撤。果然如孙膑所料，魏惠王听说齐军撤退，认为这是寻求与齐军主力决战的良机。庞涓更加怒不可遏，誓与齐军决战，他不顾军队长期作战未作休整，下令三军日夜兼程，气势汹汹地扑向齐军，企图与齐军一决胜负。
当然，魏军主帅庞涓与孙膑交手，一直小心翼翼，唯恐再次上当。他率魏军主力日夜兼程赶回魏国本土的第一天，就曾认真查看齐军扎过营的地方，发现营盘占了很大的地方。他命人数了数做饭的炉灶，灶台足够十万人使用，心里不免还存有几分警惕。第二天，庞涓带领大军赶到齐国军队第二次扎营的地方，再检查齐军营地，却发现齐军的灶台少了一半，遂又抖擞起精神，挥师紧紧追赶不放。到了第三天，追到齐国军队第三次扎营的地方，发现齐军营地上只有三万灶台。庞涓开始忘乎所以了。他认为从灶台数量日益减少的情况就可以判断，齐军士兵真的如以前一样怯战，现在一经魏军追击，就被吓得不敢迎战而纷纷逃亡了。于是他丢下步兵，亲率一支轻装骑兵，对齐军实施兼程追击。欲擒获孙膑，以报桂陵大败之仇。
孙膑早就知道庞涓经不起诱惑，贪功冒进，必然认为齐军怯战，也一定会马不停蹄地紧紧追击齐军。他根据魏军的行军速度，经过仔细计算，判断魏军很可能于傍晚时分追至马陵地区。于是，孙膑提前将马陵道作为预定的设伏战场。
孙膑率齐军到达马陵道以后，立即着手部署战场，一是下令封锁通往谷口的道路，空其中以待魏军入谷；二是下令在伏击圈外构筑城垒，在垒上对各种兵器做梯次配置，以使其充分发挥杀伤作用；三是对伏击圈内进行了周密的设计，严密布防。孙膑下令在马陵道上放满大树，并在其尽头“斫大树白而书之”，即派士兵将深沟中一棵大树的树皮剥去，在上面刻上“庞涓死于此树之下”几个大字，这大树白书恰成为齐军攻击的中心；四是明确有关规定，如夜间以击鼓相联络，白天则举旗为号，并命令士兵，如果夜间见到火光，就一齐放箭，等等。这样，在马陵道上，孙膑部署了万无一失的伏击圈，只等着庞涓和他率领的魏军往里钻了。
夜幕时分，天色昏暗，太子申与庞涓率军赶到了马陵山。太阳已经偏西，太子与庞涓并不休息，站在山丘之上查看地形。只见此山山口宽豁，草木葱茏，似乎暗藏杀机。庞涓恐有伏兵，于是令大军停止前进，待搜索回报，再决定是继续追击还是扎营。结果探子回报：没有发现齐军伏兵。于是，庞涓挥军继续前进，进入了十分狭窄的马陵道。
入得山谷，道路越来越窄，而且两旁都是障碍物。庞涓率魏军在山谷中困难地行进着。进至谷底，时已黄昏，庞涓总觉这山谷阴森森的，寒气逼人。抬头望去，只见一弯新月挂在天际，四周则万籁俱静。此时，一名在前面搜索道路的士兵前来报告，出山谷的道路已被人封死，只是前方有一棵大树，树皮已经被人剥去，上面还写了一些字。庞涓觉得蹊跷，亲自前往查看，果然见一棵参天大树立于山脚，被刮去了树皮，只剩下白白的树干，上面影影绰绰写着几个大字。他忙命人点燃火把，准备看看上面到底写些什么，一看才发现，“庞涓死于此树之下”八个大字赫然在目。庞涓一下子惊呆了，发觉中了齐军的埋伏。他连忙下令撤退，可惜已经太晚了。
火光成了齐军发起进攻的信号。只听战鼓隆隆，隐蔽在两边山坡上的齐军万弩齐发，箭如飞蝗，对魏军猛烈射击。一时间，马陵道两旁杀声震天，魏军遭此迅雷不及掩耳的打击，顿时惊慌失措，乱作一团，不是被杀，就是四散逃命。庞涓自知败局已定，不禁仰天长叹，然后拔剑自刎。孙膑见庞涓已死，立即命令齐军分左右两路，包抄夹击魏军的后续部队，齐军乘胜前进，个个奋勇，犹如猛虎下山，扑向魏军。魏军因失了主帅，只知盲目四散逃命。太子申来不及逃跑，被齐军将领田婴活捉，成了俘虏。齐军乘胜追击，歼敌十万余人。马陵之战作为一场典型的示假隐真、欺敌误敌、设伏聚歼的典范战例，已经被载入中国战争和世界战争的史册。