从此，庞涓就派了一个奴仆诚儿专门伺候孙膑，让孙膑先给他把兵书写出来。一开始，庞涓还天天来看望孙膑，假惺惺地劝他注意休息，别太劳累。后来，他就不怎么来了，而且时时派人催促孙膑。诚儿见孙膑受刑不久，坐着都很吃力，再加上每天用刀在竹片上刻写兵书，太劳累了，非常同情。当有一天庞涓又派人来催时，他就对那人说：“孙先生受了重刑，每天能坚持刻写就已经很费劲了，你们干吗还催命鬼似的？庞将军不是曾经说过让孙先生多休息吗？”来人一听此话，冲诚儿诡秘地笑了笑，说：“嗨，你还蒙在鼓里哪！难道你不知道诬害孙先生的人就是庞将军？告诉你吧，庞将军现在这样供养着孙先生，只是为了让他把兵书写出来。兵书完稿之日，就是孙膑断头之时。”诚儿一听，简直傻了眼啦。他不相信世上还有这种假仁假义、心黑手毒之人，就赶忙把刚才听到的话告诉了孙膑。孙膑做梦也没想到自己的结拜兄弟心术如此歹毒。他又气又悔，一时竟不知怎么办才好。倒是诚儿仗义，要放他逃跑。孙膑想，我已难以行走，又能逃到哪里去？而且平白让诚儿为我替罪，也于心不忍。究竟怎么办呢？忽然他眼睛一亮，大声道：“诚儿，有办法了！”
第二天一早，天还没亮，诚儿就慌里慌张地敲开了庞府的大门，说：“老爷，不好了，孙先生他疯了！”“疯了？”庞涓听后一怔，“不会吧？”“老爷，孙先生确实疯了，不信，您去看看吧。”
庞涓随诚儿来到孙膑的住处，刚抬脚踏进屋门，衣袍就被人扯住，还听得耳边一阵语无伦次的呼喊：“天兵天将来喽，来救我了，老师你快跑呀，你打不过他们，你杀不了我。”庞涓定睛一看，这个人还哪里像孙膑呢？头发散乱，身上的衣服也被撕得破破烂烂，满脸抹得黑乎乎的，让人看了恶心。他赶紧抽出身来，问诚儿：“他已经刻好的那些竹简呢？”诚儿说：“都让他烧了。他疯得那么厉害，我不敢靠近，一片也没抢出来。”“废物！”庞涓狠狠地骂了诚儿一句，转身走了。
庞涓怀疑孙膑装疯，就命手下人想方设法试探孙膑。结果没有发现任何可疑之点。他觉得孙膑是真疯了，以后对他再也没有用处了，就不再过问孙膑的情况。
不久，齐国使臣出访魏国，得知了孙膑的情况。他们认为孙膑是个难得的将才，又是齐国名门之后，就设计制造了孙膑自杀的假象，把孙膑偷偷接出了魏国。
齐国大将军田忌非常敬重孙膑，他听说孙膑已到齐国，就亲自把他接到自己府内，每天以美食调养其身体，并与他共同商讨兵法。在孙膑的指点下，田忌改变了齐国的治军方略，使齐国的兵力不断壮大起来。田忌十分佩服孙膑的才学。他就把他推荐给齐威王。齐威王得到孙膑，非常高兴，拜他为军师。
公元前353年，魏惠王派庞涓带兵去攻打赵国，直取赵国都城邯郸。邯郸危在旦夕。赵国的国君赵成侯只好派使者到齐国求救。齐威王于是命令田忌为大将，孙膑为军师，率兵救赵。路上，孙膑和田忌分析了战争形势，孙膑说：“这次救赵，就像解乱丝，千万不可抓在手里强拉硬扯。或像劝人打架，不能直接插身进去乱打一气。我们应该避实击虚，避强击弱，让敌人感到形势不妙，心存顾忌，这自然就可解围了。现在，魏国的精锐部队都出兵在外，国内则空乏无兵。因而，我们先必须率领大军直奔魏都大梁。这样一来，庞涓定会回兵救危。而我们，却可在大梁虚晃一枪，然后迅速转向桂陵（今河南长垣西北），在庞涓回援的路上，杀他个下马威。到那时，魏军疲于奔命，劳累不堪，定会大败。我们岂不一举两得？”田忌听后非常赞赏，遂采用了孙膑这一“围魏救赵”的战术，大胜魏军。孙膑的声望一下子就传开了。
庞涓在桂陵大败而回，十分窝火。当他打听到这次作战的对手是他以为已死了多年的孙膑时，不禁倒抽了一口凉气。他知道自己绝不是孙膑的对手。以后……想到以后，庞涓忽然打了个冷噤，他不由得想：“难道，我庞涓一世的功名将会毁在你孙膑的手里不成？”
公元前342年，魏惠王又任命太子申为上将，庞涓为大将兼军师，率领十万大军，去攻打韩国。
韩国哪里是魏国的对手？不几天，韩国战战皆败，节节失利，眼看魏军就逼近都城郑（今河南新郑），韩国只好以臣服为条件，派使臣向齐国求援，以免遭灭顶之灾。
这时，齐威王已过世，他的儿子宣王继位。宣王深知田忌、孙膑的才能，决定仍像上次救助赵国那样，任命田忌为大将，孙膑为军师，带着五万大军去援助韩国。
孙膑又使出了“围魏救赵”的老办法，不是先去韩国救援，而是直捣魏国国都大梁。庞涓听到这个消息，心里暗自高兴，他想：孙膑看来也不过如此，这一招使来使去的，想不出什么新花样。哼，这回，我可不会上你的圈套喽！
可是，还没等他这口气喘完，魏惠王就派人送来了都城告急的警报，让庞涓火速搬兵回朝。庞涓这下可慌了手脚，他想：不知孙膑葫芦里卖的是什么药，这次竟动起真格的了。看我庞涓不来点厉害的让你们尝尝！于是，他立即传令下去，让魏军前队变作后队，后队变作前队，迅速返回魏国，并亲自率领精锐兵力，以最快的速度赶往魏国边境，去拦击齐兵。
孙膑得知庞涓回朝，就对田忌说：“魏军素来以强悍勇猛著称，他们总以为齐国军队胆小，不敢轻易作战。我们正好利用他们这一特点，装出害怕他们的样子来，引诱他们中计，然后再将计就计，一举消灭他们。”
田忌问：“我们怎样才能引诱他们中计呢？”
孙膑说：“兵法上讲过：乘胜追击敌人百里以上的，就有折损上将的危险；追击五十里以上的，部队就会因前后不能接应而涣散无力。现在我们已进入魏国边境，可以使用退兵减灶之计使他们急行百里追赶我们。到时候，我们以逸待劳，定当全胜。”
田忌拍手叫好，连称“高明”。遂向士兵们讲清了战术，命令士兵们多备些干粮，逐日减灶，制造齐兵怯懦逃散的假象。
庞涓一马当先，很快赶到魏国边境。他看到齐国扎过的营房还在，就叫人数了数地上做饭的炉灶，细细一算，足够十万人吃饭之用。庞涓吓坏了：魏国因攻打韩国，主要兵力全已派出，留下一个空城，怎抵得住十万齐军的进攻？他焦灼万分，和太子申商量了一下，决定夜里不再歇宿，火速赶路。刚走了一天，他又看到了齐军的营灶，一数，竟比前日的少了许多。就这样一连赶了几天，他发现齐军的营灶越来越少，连第一次的一半都不到了。他不由得大喜过望，长长地舒了一口气。他对太子申说：“我早说过，齐军只是一群乌合之众，成不了什么大气候。你看，他们进入我国才几天的工夫，兵力就流失了大半。”
太子申劝他不要掉以轻心。他却笑太子申过虑，并让太子留作后队，他自己则率领一小股轻装的精锐部队，快马加鞭，尽力追赶。
再说孙膑、田忌率兵走到马陵（今河北省大名县东南）时，发现马陵山道狭窄，两旁高山陡峭，草木繁盛，地形错综复杂，是个伏兵的理想之地，就下令部队停止前进，在此设下埋伏，单等庞涓赶来，一举歼灭。
一切准备就绪后，孙膑选了路旁一棵最高大的树，让人将树皮刮去一片，用黑炭在露出的白木上写上了七个大字：“庞涓死于此树下！”
当庞涓带兵赶到马陵时，正是夜幕刚刚降临的时候。他听说齐军就在前边，便不顾天黑道险，催促着士兵进入了山中的谷道。刚走了一会儿，就听见有士兵报告说前方道路被阻，接着又听见有人高喊：“庞将军，庞将军，请过来看看，这树上好像有字迹。”他寻声望去，隐隐约约地看到一棵大树上有一片白木，上面确实写着一行字，但看不清楚。于是，他就叫士兵点上火把来看。
树上的七个大字十分醒目地映入他的眼帘，他心中大惊，不由得哀叫了一声：“我完了！”话音未落，只听得两旁山上“嗖、嗖、嗖”窜出万枝乱箭，直向魏军飞去。魏军猝不及防，顿时慌作一团，溃不成军。庞涓也身中数箭，插翅难逃。他知道失败已成定局，又听得耳旁“活捉庞涓”的喊杀声不断，不由得一股窝囊气直冲颅顶，遂拔剑自杀。临死前，他还长叹一声：“今番倒成就了孙膑这小子的声名！”
庞涓一死，魏军群龙无首，完全失去了战斗力，很快就死的死，降的降，几乎没有一人逃出。
孙膑、庞涓马陵之战，严重削弱了魏国的国力，而齐国的国力却大振，并从此代替魏国而称霸了。
孙膑则从此辞官隐居，专门著述。我们今天看到的孙武的《孙子兵法》十三篇，就是孙膑传下来的。他自己也因此受到后世人的纪念和颂扬。