孙膑曾与庞涓一起学习兵法。后来庞涓在魏国做将军，自认为才能比不上孙膑，妒忌他，就把孙膑请到魏国设计陷害他，砍下他的双脚，又在他脸上刺字，让他一辈子不能做官任职。
有一次，齐国的使者来到魏国，孙膑暗中求见，说动了齐国的使者，使者就用车子把他藏着，偷偷带回了齐国。到齐国以后，田忌发现孙膑有过人之智，十分礼待他，还将他推荐给齐威王。齐威王向孙膑请教兵法，对他非常佩服。
周显王十五年（公元前354年），魏惠王攻打赵国，包围了邯郸。齐威王决定援救赵国，任命田忌为大将，孙膑为军师。田忌想率军直奔赵国，孙膑说：“想劝开打架的人，不可以自己也挥着拳头动手；想制止械斗的人，不可以自己也拿起棍棒格斗。避实而就虚，造成不得不停手的形势，那么问题也就解决了。如今魏国攻打赵国，主力精锐一定全部出动，国内就剩下老弱残兵。您不如率军突袭魏国的都城，占据交通要道，进攻防守薄弱的地方，魏军一定会放弃邯郸回兵自救。那么我们就一举两得，既解了邯郸之围，又趁机打击了魏国。”田忌听从孙膑的建议，魏军果然回救，在桂陵被齐军打得大败而逃。
周显王二十八年（公元前341年），魏王让庞涓率军攻打韩国，韩国向齐国求救。齐威王召集大臣，问道：“韩国派使者前来求救，你们看早出兵好，还是晚出兵好？”成侯回答说：“依臣之见，还是不救为好。”田忌说：“如果我们不救，韩国必败。那么，韩国就投向魏国了。我看，不如早些救援。”孙膑说：“韩、魏两国刚开战，双方都没有疲惫。如果我们现在出兵救韩，岂不是听命于韩国，替它挨打吗？因此，我们可以答应韩国，但要晚些出兵。这样，我们既可以获得重利，又可以得到美名。”齐王听了，连声叫好。于是，他答应了韩国使者，然后打发他回国了。韩国见齐国答应救援，有了靠山，便坚持苦战，但打了五仗都失败了。这时，齐国出兵了。这次，齐王仍然让田忌担任大将，孙膑担任军师。田忌按照孙膑的计谋，直捣魏都。庞涓闻讯，只得回军。魏王让太子申担任大将，和庞涓一起抵抗齐军。孙膑对田忌说：“魏军一向轻视齐军，我们可以因势利导，让他中计。”
孙膑把计划仔细说了一遍。田忌拍手叫好，就和孙膑带领大军，直奔魏国的都城大梁。再说庞涓正在攻打韩国的都城，忽然听说齐国出兵去打大梁，带兵的是孙膑，不由得大吃一惊，急忙下令立即撤兵回国。等魏军回到国境，齐军进入魏国已经五天了。庞涓又急又气，带领人马紧紧追赶。他恨不得一口把孙膑吞了。谁知道追了一天，连一个齐兵的影子也没见着。傍晚来到齐军宿过营的地方，只见密密麻麻，遍地都是做饭的土灶。
庞涓叫人数了一数，足足有十万个。十万个土灶，足够上百万人做饭吃。庞涓心里暗暗吃惊，他没料到齐军有这么多。魏军又追了一天，还是没追上齐军，可见齐军宿营的地方，土灶减少了一半，只有五万个了，庞涓这才稍稍放心，命令魏军加紧追赶。
追到第三天傍晚，魏军探子向庞涓报告说：齐军的土灶只剩三万个了，并且乱七八糟的。庞涓听了哈哈大笑，说：“嗨，我说齐国的军队不行嘛！你们看，他们出兵才几天，士兵就逃跑了一大半！这一仗我们准能打胜！士兵们，追呀！”于是，庞涓把大队人马甩在后边，自己带着一队轻骑兵，拚命地追赶齐兵，想一下子捉住田忌和孙膑。
孙膑算定了：庞涓的人马第三天黄昏赶到马陵。马陵这地方两边都是高山，中间夹着一条小路。路边和山上，到处都是树木和野草，形势很险要。孙膑就在两边高山上埋下了伏兵。庞涓领着轻骑兵追了一天，果然在黄昏时候到达马陵。他发现前边横七竖八地堆了很多砍倒的树木，把路都堵死了。庞涓哈哈大笑，说：“齐兵怕我们追上，才想了这个笨法子。士兵们，下马搬树！”
树搬完了，天也黑了，魏军大队人马也赶到马陵来了。忽然，庞涓望见前面路边上，还留着一棵大树没砍倒，树干上隐隐约约有几个大字。他叫人拿火把一照，只见树上写着：“庞涓死此树下”。
庞涓大吃一惊，知道中了孙膑的计，转身就想逃走。就在这时候，两边山上火把通明，齐国的伏兵万箭齐发，喊声震天。魏国的人马死的死，伤的伤，乱成一团，十万大军，全部垮了。庞涓眼见要当俘虏，只得抽出宝剑来自杀了。
