先是向南进攻魏国战略要地平陵（今山东省定陶）。平陵虽然城池不大，然而人口众多，商贾云集，历代魏君都十分重视经营平陵，将城墙修得又高又坚固，留有重兵防守。从齐国出兵进攻平陵，途中还要经过宋、卫两国之间的市丘，辎重队伍很容易遭受攻击。因此，从表面上看，齐军一出国便进攻平陵，显然是不明智的。这就给庞涓造成了一种“齐军无人”的假象。
部队接近平陵的时候，孙膑又命令主力停下，千里迢迢从临淄和高唐调来地方部队担任主攻。结果可想而知，齐军被打得铩羽而归。
消息传到邯郸城下，庞涓不禁冷笑一声，认定齐军主将田忌不过是个草包。
但是几天之后，形势突然发生变化。一支齐军战车部队绕过平陵，轻装疾进，直接突入大梁城郊，烧掠了十几个村庄，而且放出风说，齐军主力部队即将到来，准备血洗大梁，一泄当年禀丘战败（公元前405年）之恨。
大梁城内人心惶惶。魏惠王沉不住气了，派人给庞涓送去一封密信，令他火速回师救援大梁，稳定局势。
庞涓收到密令，将半个月以来收到的信息作了一番分析，得出一个孙膑极想要他得出的判断：齐军不过是乌合之众，无非是想趁火打劫，从魏国捞到一点好处罢了。
那样的话，邯郸之围可以不解，只需他带领少量部队火速返回国内，便可一举击败齐军。
他不知道，齐军所有的行动背后隐藏着一个最大的秘密，那就是他的昔日同窗孙膑正端坐在中军大帐中悄悄操纵着一切。这件事被列为最高机密，就连齐军中也只有少数几位高级将领知道。
庞涓决心快刀斩乱麻，命令魏军主力继续围攻邯郸，自己则带领两万部队偷偷离开了邯郸城下，日夜兼程赶回魏国。
《孙子兵法》第七篇第二条记载：“卷甲而趋，日夜不处，倍道兼行，百里而争利，则擒三将军，劲者先，疲者后，其法十一而至；五十里而争利，则蹶上将军，其法半至；三十里而争利，则三分之二至。”
简而言之，以当时的交通运输条件，急行军必定导致士兵大量掉队。急行一百里，掉队百分之九十；急行五十里，掉队一半；急行三十里，掉队三分之一。因此，急行军乃是兵家大忌，没有十足的把握不可轻易使用。
但是庞涓已经顾不上这么多，他只想快点赶回国内击溃齐军，好让魏惠王放心。
当他带着一万余名疲惫不堪的魏军赶到桂陵（今河南省长垣）的时候，等待他的是八万名吃饱喝足、气定神闲的齐军。
战斗的结果可想而知，魏军被击溃，庞涓本人也成为俘虏。
他被押解到齐国的中军大帐。在那里，他见到了田忌，还有一个坐在轮椅上的人。
庞涓先是惊愕，接着大笑起来。“果然是你，果然是你！”他用一种几乎是歇斯底里的声音说，“从这场战斗一开始，我就怀疑是你在背后操纵这一切。除了你，还有谁会这样不遗余力地用各种手段将我从邯郸城下骗到这里来？只有你，只有你有这个本事让我上当。我真后悔，当初在大梁为什么没有杀掉你，为什么要留你一条性命？杀掉你我就是天下第一了……不，你其实并不比我强，对吗？如果你比我强，又何必费尽心思将我骗到这里来，又何必躲躲藏藏不敢现身，何不在邯郸城下与我光明正大地决一死战？你还是怕我，怕我在战场上打败你。你害怕人家会说，鬼谷子最得意的弟子是庞涓，孙膑只是个废物，是个懦夫！”说罢又是一阵狂笑。
孙膑只是怜悯地看着庞涓，静静地等他把话说完。他不想对庞涓的话进行任何反驳。这些年来吃过的苦头使他明白人间的险恶，也明白人类的各种雕虫小技。庞涓歇斯底里也罢，装腔作势也罢，对他来说不起任何作用。他知道，自己只要轻轻一挥手，刀斧手便会将庞涓拖出去，转身拿进来一颗血淋淋的人头。但他不想那样做，他甚至不想以其人之道还治其人之身，将庞涓的双脚砍下来，再在庞涓脸上烙上一个硕大的印记。那样的话，他与庞涓又有什么区别？
他命人将庞涓押下去，暂且关押起来。
田忌忍不住问孙膑：“您难道就这样放过他？”
孙膑说：“邯郸局势未明，留着他还有用处。”
果然，几天之后消息传来，邯郸陷落了！
原来就在桂陵之战的同时，围攻邯郸的魏军发动一次总攻，以摧枯拉朽之势攻破城门。赵成侯不得不带领文武百官突围而出，逃往代地避难。魏军战斗力之强，委实不是吹的。
此后，韩国出于害怕齐国势力西扩，也加入了魏国的阵营。公元前352年，魏、韩联军在襄陵（今河南省睢县）打败齐、宋、卫三国联军（可见孙膑也不是百战百胜的）。
战争持续了两年。公元前351年，楚宣王派大将景舍调停各国争端。齐、魏、赵等国在漳水之滨缔结了和平条约，史称“漳水之盟”。
作为交换条件，齐国将庞涓送回了魏国，魏国则将邯郸交还了赵国。楚国从中渔利，获得魏国在睢水流域的大片土地。
对此，《吕氏春秋》评价道：（庞涓）围攻邯郸三年，士民疲惫，国家空虚，舆论批评，诸侯耻笑，魏国从此走上了下坡路。
魏文侯建立的百年霸业，根基已经松动。