齐军进入魏国境界以后不久，就得到庞从韩国回师迎战的情报。田忌、田要问孙膑有什么破敌妙计。孙膑说:“魏军自以为兵强马壮，轻视齐国军队，认为齐军胆怯，不敢同他们决战。而且，庞涓这次从韩国回来，轻装急进，日夜不停，恨不得一下子把我军吃掉。兵法上说:‘如果用急行军走一百里去争利的，部队必然疲劳不堪，万一发生意外情况，就有折损主将的危险；如果用急行军走五十里去争利的，因为前后不能接应，部队只有一半能够赶到。

现在，魏军正是犯了兵法上的大忌，轻兵冒进，急于求战。善于用兵的人，就应该利用这种形势来决定作战计划，把敌军打败。”接着，孙膑说出了一套退兵减灶、诱敌深入的计策。这个计策的要点是:立刻带领军队向东撤退，躲避魏军的锋锐，不同他们打硬仗；在撤退途中，逐日减少宿营地所筑的军灶数目，造成敌人的错觉，滋长他们的轻敌情绪，引诱魏军冒险深入；然后，选择有利的时间、地点，采用伏击的办法，集中力量，一下子把敌人消灭掉。

田忌，田要认为孙膑的分析非常正确，作战部署很巧妙就决定按照他的计策行动起来。庞涓率领魏军回到魏国的时候，听说齐军已经撤退了，他就下令全军紧紧追赶。庞赶到齐军的宿营地、看见齐军遗留下来的军灶，密密麻麻地到处都是。他叫人数了一下，那些军灶足够供十万人做饭吃。但是，到了第二天，魏军追到齐军新的宿营地，庞又进入察看，发现齐军的军灶减少了一半，只够供五万人用的了。

到了第三天，庞涓发现齐军宿营地的军灶更少了，大约只够供三万人用的了。庞涓被这种假象迷惑住了，兴奋地对部下说:“我早就知道齐军素来胆怯，不敢同我军作战。这三天当中，逃亡的兵士就超过了半数。我们这次一定能把他们全部消灭，一洗桂陵战败的耻辱！”于是，他立刻丢下步兵和重，只挑选一支轻骑部队，由他亲自带领，一天赶两天的路程，猛追齐军。那时候，齐军已经退到齐国境内。孙膑计算魏军的行程估计在第三天傍晚，可以到达马陵。

漆黑的夜晚，正是奇袭敌人的最好时刻。孙膑决定选择这样一个时间和地点来消灭魏军。马陵道是夹在两个高丘中间的一条小路，林木丛密，形势险要，是个打伏击战的有利地方。孙膑挑选了一万名弓箭手，埋伏在道路的两旁，吩咐他们说:“只要看到火光，就一齐放箭。”他又下令把路旁的树木一齐砍倒，堵住道路，只留下道旁一棵大树，削去一段树皮，在那青白的树身上写上“庞涓死此树下”几个大字。

孙膑布置停当，就同田忌、田要率领大军在隐蔽的地方扎营，准备接应。当天晚上，庞滑果然率领魏军来到马陵。这正是十月的下旬，晚上没有月亮，天色非常昏暗。魏军的前锋刚进入马陵道，就被横七竖八的树枝挡住了去路。庞消听到这个消息，就亲自上前察看。他向前走了不远，猛然间发现道旁一棵大树树身上好象隐隐约约地写着一行大字，但是看不清写的是什么。庞就叫士兵点起火把来照着看。火把点着了。在漆黑的夜晚，火光显得特别明亮。

庞涓看到“庞涓死此树下”几个大字，不由得大吃一惊，连说:“不好！不好！我中了孙膑的诡计了！”但是，已经太晚了。埋伏在两旁的齐兵，一看到火光，立刻万弩齐发，箭如骤雨，冲着火光射来。魏军登时大乱，纷纷死在乱箭之下。齐军伏兵乘势冲杀过来，喊声震天。庞涓自料不能脱身，只得拔出佩剑长叹一声说:“想不到叫孙膑这小子成了名！”说罢，就自刎而死。齐军消灭了庞率领的精锐部队，立刻乘胜追击魏军的后续部队。魏军在齐军的突袭下，匆忙应战，哪里能抵挡得住？

没有多久，魏军全部被歼灭了，连太子申也被齐军获了。马陵之战以后，魏国在对西方的秦国作战中，又不断受到挫败。因此，魏惠王不得不采用相国惠施的建议，同齐国修好。公元前334年，魏惠王到徐州去会见齐威王，尊齐威王为王，同时，齐威王也承认魏惠王的王号。从此以后，魏国失掉了霸主的地位。齐国国势增强，和秦国成为东西两个大国。