齐军围魏救赵十三年后，即周显王二十八年（前341 年），魏惠王又派庞涓伐韩，韩昭侯自料不是魏之对手，乃在魏军到来之前遣使赴齐求援。
对于是否出兵救韩，齐国大臣们又有两种意见，相国邹忌还是主张不出兵相救，大将田忌与邹忌有隙，反其道而行之，极力主张出兵。孙膑也主张救韩，但他反对田忌“不如早救之”的意见，认为韩、魏尚未交兵，而齐国发兵去救，实是齐军代韩国受魏国之兵，反而将听命于韩。况且，魏国此番攻韩，志在灭之，韩亡，魏国必将兵锋转向齐国。如果齐与韩结盟，韩恃齐之后援，必全力抗魏，待韩魏两败俱伤，齐再出兵救韩，可坐收渔人之利。
齐威王遂采纳孙膑的建议，对韩之使者答应出兵相救，并遣之回国转告韩昭侯。
韩昭侯自恃齐军将来相助，与魏军展开殊死大战，结果五战五败，急忙再次遣使者至齐国告急，表示愿举国听从齐之指挥。齐威王感到出兵时机已成熟，乃使田忌、田婴为将，孙膑为军师，发兵直趋魏都大梁（今河南开封）。
庞涓闻知齐军又乘虚袭击大梁，大怒，急忙解韩都（今河南新郑）之围回国。魏惠王亦气愤于齐国败坏了他灭赵、灭韩的大事，起倾国之兵，以太子申与庞涓为将，统领大军迎击齐军，志在与齐决一雌雄。
齐军尚未到达大梁，听说魏已兴兵迎击，孙膑对田忌说：“彼三晋之兵素悍勇而轻齐，齐号为怯。善战者因其势而利导之。《兵法》：‘百里而趣（同“趋”）利者蹶上将，五十里而趣利者军半至。’”（《资治通鉴·周纪二》）意思是三晋（韩、赵、魏）之兵一向剽悍勇猛、轻视齐国，认为齐军胆小怯懦。善于作战者应善于因势利导。《孙子兵法》中说：“走上百里路程去与敌军争利，其上将就会被擒杀；行军五十里去与敌人争利，军队只有半数能赶到。”（原文是：“百里而争利，则擒三将军……五十里而争利，则蹶上将军，其法半至。”《孙子·军争篇》，《资治通鉴》所载与之略有不同。）于是，孙膑制定了诱敌深入以歼之的制胜方略。
首先，齐军要向魏军示怯，以使魏军无所顾忌地进入齐军的伏击圈。齐军在后撤的第一天里，孙膑令军士垒十万灶埋锅做饭；次日，孙膑令减为五万灶；第三天，减为两万灶。
其次，孙膑选定了伏击庞涓的地点——马陵。马陵属齐地，在今山东鄄城东北六十里处，谷深道狭，形势险峻，《虞喜志林》载：“马陵在濮州鄄城县东北六十里，有陵，涧谷深峻，可以置伏。”魏军不熟悉齐地的地形，故孙膑决定主动撤出魏国，将魏军引诱到马陵以据险伏击之。
庞涓既愧愤于十三年前被孙膑击败于桂陵，又怒齐军复来解韩都之围，遂率军穷追不舍，志在击败齐军，以报齐两番袭魏之仇。追踪齐军三日后，庞涓大喜，道：“我固知齐军怯，入吾地三日，士卒亡者过半矣！”（《资治通鉴·周纪二》）误以为齐军减灶，即士卒逃亡的表现。乃率精锐之兵倍道行军，以求与齐决战，而太子申则率步军随其后，渐渐出了魏国国境，进入齐国地界。
孙膑估算至日暮时，庞涓之军当至马陵，遂派万名弓弩手埋伏于马陵狭道两旁的山上，并将道旁的一棵大树砍去树皮，写上“庞涓死于此树下”几个字，约定见此树下有火光，即万箭齐发。
天黑时，庞涓果然追至马陵道，见道旁大树被砍得露出了白色的木质，上面隐约有字迹，便打火照之。庞涓尚未读完“庞涓死于此树下”这六个字，埋伏于两旁山陵上的齐军见树下火起，万弩俱发。魏军中箭者不计其数，顿时乱作一团。齐兵从四方包围过来，庞涓自知智穷兵败，叹道：“成就了孙膑这小子的名声！”遂自刎而死。
齐军围歼庞涓之军后，乘胜迎击太子申率领的步军，大破之，太子申也被齐军擒获。
马陵之战后，果如庞涓所言，“孙膑以此名显天下，世传其兵法。”《孙膑兵法》共八十九篇，图四卷，可惜在隋朝之前即已失传。1972 年在山东省临沂地区银雀山西汉墓中发现了《孙膑兵法》的残简，已被整理出版。
马陵之战是孙膑继桂陵之战后指挥的又一辉煌战役，其战术与桂陵之战如出一辙，只是此次旨在聚歼魏军，故以减灶这一奇谋诱敌，诱敌深入至马陵险隘，然后据险伏击之，从而使庞涓自杀，得报昔日被庞涓加害之仇。
无论是孙武抑或孙膑，他们指挥的为数不多的几次战役，均以谋略出之，均能获得大胜，可见他们之著书立说，并非书生纸上谈兵。
