庞涓以为，受刑后的孙膑成了一个残疾人，他纵有天大的本事，也难以和自己较量了。孙膑的伤口渐渐愈合，但他再也站不起来了，而且，还有人时时刻刻监视着他。他知道庞涓在陷害他，他恨得咬牙切齿，可老这样也不行，总得想个脱身之法才是。不久，孙膑疯了，他一会儿哭，一会儿笑，叫闹个不停。送饭的人拿来吃的，他竟连碗带饭扔出好远。庞涓听说了这些，并不相信孙膑会疯，便叫人把他扔到猪圈去，又偷偷派人观察。孙膑披头散发地倒在猪圈里，弄得满身是猪粪，甚至把粪塞到嘴里大嚼起来。庞涓认为孙膑是真疯了，从此看管逐渐松懈下来。孙膑装疯产生了作用，他暗中加紧了寻找逃离虎口的机会。
早在公元前386年，代表新兴地主阶级的田氏贵族在齐国取得政权后，就进行了一系列的社会改革，盐文武人才，坚守边境，反抗外来的威胁。孙膑回国后，很快见到齐国的大将田忌。田忌十分赏识孙膑的才干，便将他留在府中，以接待上宾的礼节殷勤加以款待。田忌喜欢赛马，但却时常输掉。有一次，他又与齐威王赛马，马分上、中、下三等，对等竞赛，三场全输，田忌好不丧气。这时恰巧孙膑在场，便给田忌出主意说待到下一轮比赛时，你用上马对威王的中马，用中马对威王的下马，用下马对威王的上马，必赢无疑。”田忌依计行事，造成两个局部的优势和一个局部的劣势，以一负二胜赢得齐三千金。
一向取胜的齐威王这次输了，大感惊讶，忙问田忌是何原因？田忌把孙膑找来，借机推荐给齐威王。齐威王见是一个双腿受刑的残疾人，开始并未介意，当孙膑陈述自己对战争问题的看法时，齐威王便有意问道依你的见解，不用武力能不能使天下归服呢？”孙膑果断地回答说这不可能，只有打胜了，天下才会归服。”然后，他列举黄帝打尤，尧帝伐共工，舜帝征三苗，以及武王伐纣等事实，说明哪一个朝代都是靠武力解决问题，用战争实现国家的统一。这一番深刻独到的分析，使齐威王大受震动。再询问兵法，孙膑更是滔滔不绝，对答如流。齐威王感到孙膑其人确实不简单，从此以“先生”相称，把他作为老师看待。
孙膑当了齐国军师，他的抱负和才能得以充分发挥。他大显身手的第一次战争是桂陵之战。
战国初年，魏文侯任用李悝，实行变法，富国强兵。用其变法在诸侯国中最早，故首先称雄中原。当时齐、赵也是两个较大的国家，不愿仰魏国之鼻息。于是齐、赵在共同抗魏的旗帜下联合了起来。
公元前354年，赵国出兵攻打卫国，迫使卫国入朝。卫原是魏的属国，于是魏国就出兵攻打赵国，并且包围了赵国的都城邯郸。赵国危如累卵，于是派使臣求救于齐。齐威王想以孙膑为将，率军救赵。孙膑以“刑馀之人不可”的理由拒绝了。于是威王以田忌为大将，孙膑为军师，率八万大军伐魏。开始，田忌想直扑邯郸，攻打魏军。孙膑认为不可，他说：“夫解杂乱纷纠者不控卷，救斗者不搏撠，批亢捣虚，形格势禁，则自为解耳。今梁赵相攻，轻兵锐卒必竭于外，老弱疲于内。君不若引兵疾走大梁，据其街路，冲其方虚，彼必释赵而自救。是我一举解赵之围而收弊于魏也。”田忌依计而行，率领齐军，浩浩荡荡，向大梁进军。齐军同进攻襄陵的卫、宋联军互相呼应，形成了两面夹攻大梁的形势。大梁告急，庞涓果然率军回救大梁。魏军长途跋涉，弄得人困马乏，个个疲劳不堪。当他们经过桂陵（今山东菏泽县东北）时，遭到齐军的伏击，魏军大败。从而创造了中国战争史上“围魏救赵”的光辉战例。
这时，真正知道孙膑是装疯避祸的只有一个人，就是当初了解孙膑的才能与智谋、向魏王推荐孙膑的人。这个人就是赫赫有名的墨子墨翟。
他把孙膑的境遇告诉了齐国大将田忌，又讲述了孙膑的杰出才能。田忌把情况报告了齐威王，齐威王要他无论用什么方法，也要把孙膑救出来，为齐国效力。于是，田忌派人到魏国，乘庞涓的疏忽，在一个夜晚，先用一人扮作疯了的孙膑把真孙膑换出来，脱离庞涓的监视，然后快马加鞭迅速载着孙膑逃出了魏国。直到此时，假孙膑才突然失踪。庞涓发现时已经晚了。
周显王十六年（前354年），魏国派庞涓率兵八万，由大梁（今河南开封市西北）出发，北上进攻赵国的都城邯郸（今河北邯郸西南）。赵国无力打破魏军的围攻，便向齐国求救。齐王想用孙膑为将，孙膑辞谢说：“刑余之人不可。”（《史记·孙子吴起列传》）于是齐王于公元前353年派田忌为主将，孙膑做军师，坐在军车之中筹谋策划，率兵八万救赵。田忌想领兵直奔赵国，孙膑劝阻道：“凡是要解开纷乱的丝绳，一定要找出它的结头，不可用拳头乱砸；要解劝斗殴的，不可帮着去打；避实就虚，在形势上阻遏制止住敌方，自然就可以解围。现在魏国攻打赵国，它的轻兵锐卒必然都在前线，老弱残兵留守国内，您不如引兵围攻大梁，占据交通要道，攻打它防卫空虚之处，魏国一定放弃攻打赵国而自救。这样我们就一举解了赵国的围，又收到了攻击魏国弊弱的效果。”田忌采纳了孙膑批亢捣虚的建议，将主力集结于预设阵地桂陵（今河南长垣西北），准备歼敌。大约在11月间，庞涓回兵桂陵，遭到齐军截击，败回大梁。围魏救赵的成功经验从此被中国历代兵家所借鉴，在中国战争史上占据了重要地位。
桂陵之战，魏军虽然战败，但实力并未受到多大的损失。桂陵战后的13年（前341年，齐威王十六年），魏国联合赵国攻打韩国，韩国向齐国告急。齐国于是在韩魏两军久战俱疲的时机，命田忌为将，孙膑为军师，出兵救韩，直取魏国首都大梁。魏国得知齐军攻魏救韩的消息后，立即撤去围韩之军回到大梁，魏国国君魏惠王决心集中主力迎击齐军，以报桂陵之战失败之仇。于是，他命太子申为上将军，庞涓为将军，率领10万军队主动迎击齐军，寻求决战。
孙膑向田忌建议：利用三晋士兵向来彪悍骁勇，轻视齐国，认为齐军胆小怯懦的心理，示之以弱，诱敌追击，然后乘隙予以致命打击。孙膑还具体提出了诱敌的方法：就是在与魏军接触后就假装败退，退却中第一天挖10万个炉灶，第二天减少到5万，第三天减少为3万个，让魏军误认为齐军每天有大量士兵逃亡，战斗力迅速减弱，而不顾一切地来追赶。果然，庞涓见齐军炉灶天天减少，得意忘形地说：“我原来就知道齐军胆小怯懦，进入我国境内才3天，士兵就逃走过半了！”于是丢下步军，只率一部分轻装精锐部队，兼程追赶。孙膑估计庞涓的行军速度，天黑当可赶到马陵（今山东莘县），而马陵道路狭窄，旁多险阻，可埋伏兵马。就命令削去大树的树皮，在露出的白头木头上写上：“庞涓死在此树之下。”然后命令齐军善射者一万人，手执强弩，埋伏在道路两旁，约定说：“夜里见到火光亮起来就万箭齐发。”庞涓果然夜晚来到大树下，见白色木头上写了字，钻火照看，还没来得及读完树上的字，齐军已万箭齐发，魏军大乱，彼此无法相顾。庞涓这才意识到中了孙膑的计策，已经智穷兵败。但他还不服气，在自刎之前慨叹：“遂成竖子之名。”（《史记·孙子吴起列传》）
以桂陵、马陵之战为标志，魏国的霸权宣告终结，梁惠王的面子亦随之丢得干净。