梁乃魏国的政治、经济中心，庞涓听闻齐军奔袭大梁，必定心急如焚，回师救援。届时，齐军便可在魏军的归途中设伏，以逸待劳，大破魏军。
田忌依孙膑之计，率军迅速向大梁进发。庞涓得知齐军动向，果然大惊失色，匆忙舍弃邯郸，回师救援大梁。魏军长途跋涉，人困马乏，行至桂陵（今河南长垣西北）时，正值深秋，秋风萧瑟，枯草连天，齐军隐于山林，见魏军疲态尽显，个个摩拳擦掌，只待一声令下便如猛虎出山。待魏军进入埋伏圈，齐军在孙膑的指挥下，充分发挥兵种协同作战的优势，弩兵万箭齐发，枪戟兵随后掩杀，将魏军打得落花流水。庞涓率残部拼死突围，才得以逃脱。桂陵之战，齐军以弱胜强，大破魏军，不仅解了赵国之围，还重创魏国霸权，齐国声名自此远扬，成为各国瞩目的新兴力量。
公元前 342 年，魏国再次挑起战端，此番目标指向韩国。韩国难敌魏国锋芒，向齐国求救。齐威王再度召集大臣商议对策，邹忌鉴于上次桂陵之战的惨烈，主张按兵不动，以免惹火烧身。而田忌、孙膑等人则认为，若不救韩国，魏国一旦吞并韩国，势力将更加强大，对齐国的威胁也会更大，必须救韩。齐威王权衡利弊后，决定出兵。此次救援，同样采用孙膑的计谋。
当时，韩、魏两国军队激战多日，双方皆疲惫不堪。齐军先按兵不动，待韩、魏两国军队激战多日，双方皆疲惫不堪时，才由田忌、孙膑率军直扑大梁。庞涓得知齐军来袭，虽心有余悸，但仍自恃魏军实力，回师迎战。孙膑深知庞涓骄纵轻敌，故意采用“减灶示弱”之计。他令齐军第一天埋设十万个灶，第二天减为五万个，第三天再减为三万个。庞涓见状，以为齐军怯战，士兵大量逃亡，心中大喜，遂抛下步兵，亲率精锐骑兵加速追赶齐军。
孙膑算准庞涓的行军路线，在马陵（今山东莘县西南）设下埋伏。马陵道地势险要，道路狭窄，两旁山峦起伏，树木茂密，是设伏的绝佳之地。孙膑命士兵将路边的大树砍倒，只留下一棵大树，剥去树皮，在树干上写下“庞涓死于此树之下”八个大字。然后，他又安排一万名弩手埋伏在道路两旁的山林中，约定以火光为号，一见魏军到来，便万弩齐发。
庞涓率领魏军骑兵一路追赶，进入马陵道时，天色已晚，道