齐兵要攻打大梁的军情，很快庞涓就知道了。他立刻命令从赵国退兵救大梁。魏军由于长期攻赵，兵力消耗很大，加以长途跋涉急行军。士卒疲惫不堪。魏军进入了齐兵埋伏的桂陵地带，只听一声号令，齐军从路的两侧一齐奋勇杀出。突遭袭击，疲惫不堪的魏军哪里还能抵挡得住？他们战死的战死，受伤的受伤，不多时，魏军大败，死伤两万多人，齐军大胜而归。
桂林之战后，庞涓日夜不安，终于想出一条离间计：他派人潜入齐国，用重金贿赂齐国相国邹忌，要他除掉孙膑。邹忌正因齐王重用孙膑，惟恐有朝一日被取代，便暗中设下圈套，并作假证，告发孙膑帮助田忌，要夺取齐国王位。由于庞涓派人早已在齐国到处散布谣言，说田忌、孙膑阴谋造反夺权，齐王已有些疑忌，一听邹忌所说，勃然大怒，果然削去田忌兵权，罢免了孙膑的军师之职。
庞涓大喜：“孙膑不在，我可以横行天下了！”不久，就又统兵功侵韩国，韩国自知不能取胜，派人到齐国求救。
恰恰齐威王逝世，其子齐宣王继位，知道田忌、孙膑冤枉，又恢复了他的职位。听到韩国求救之事，齐国君臣忙在朝堂议事。宣王问众臣：救还是不救？
邹忌主张：不救。让这两邻国自相残杀，于齐国有利；田忌等人则极力要求去救：不救，一旦韩被魏吞并，魏国力大增，必要进攻齐国。那时就危险了！
此时，只有孙膑含笑不语。
宣王问他该怎么办。孙膑道：“这两种意见都不好。我们应该‘救而不救，不救而救’。”
众人都不明白。
孙膑解释：“不救，则魏灭韩，必危及我国；救，则魏兵必先与我军开战，等于我们代韩国打仗，韩国安危无恙；但我国无论胜败，都要大伤元气。所以这两种意见都不很好。我认为大王应采取这样方针：答应救韩，以安其心。韩国必然努力坚持与魏国死战。等到两国都疲惫之极，马上要分胜负时，我们再真正出兵击魏，这样，攻击已筋疲力尽的魏军，不用大力；救解已快失败的韩国之危，他们也必定感激。于是，少出力而建功多，不更好吗？！”
宣王一听，佩服得鼓起掌来：“太好了！”便命田忌、孙膑统兵，伺机救韩。
到了韩魏已打了段时间后，齐军又按孙膑谋划：不救韩，而袭魏国首都大梁。
庞涓闻讯，暴跳如雷，大骂孙膑狡猾，发誓与齐军决一死战，于是气冲冲率师迎战齐军。孙膑知庞涓兵来，制止田忌迎敌的打算。
田忌不解：“以逸待劳，不是上次成功战法吗？”
“此次不同，庞涓怀忿怒、挟气势而来，若正面交锋，我军纵胜，损失亦大。不如如此这般……”孙膑小声说出计策。
庞涓提兵赶到魏国，齐军已撤离。庞涓决心与孙膑拚个你死我活，拚命追击。追击前，他派人去数齐军营垒中的灶迹，一听竟有十万之多，吃了一惊：“齐军人多，我们不可轻敌！”待追了一天，再数齐军遗下灶迹，只剩五万了。庞涓大喜：“齐兵厌战，更闻风丧胆，逃亡过半了！快追！”及第三天，齐军只有三万个灶了。庞涓再也抑制不住冲动，下令：“不顾一切，尽快赶过去，务必活捉孙膑！”自己更披甲执戈，亲自率二万轻骑，日夜兼程追击齐军。
再说孙膑，在计算日程、地点后，他在马陵道设下埋伏。马陵道，是夹在两山间的峡谷，进易出难。孙膑又让人在道中一棵大树上刮下大片树皮，用墨写上六个大字：“庞涓死此树下”，然后在附近安排五千弓弩手，命令：“只看树下火把点亮，就一齐放箭！”
庞涓赶到马陵道，已黄昏时分。士兵报告：“前面谷口，有断树乱石堵住道路了！”庞涓大喜：“这说明敌军畏惧，而且马上要追上他们了！快，搬开障碍，冲锋！”说罢，一马当先，率部队冲入峡谷。
正快速前进，忽然被一棵大树挡住去路，隐约见到树身有字迹。此时天色已黑，无星无月，只冷风飕飕，山鸟惊啼。庞涓令人点亮火把，亲自上前辨认树上之字。及看清，立刻大惊失色：“我中计了！”话音未落，一声锣响，万弩齐发，箭如骤雨，庞涓浑身上下像刺猬一样，“扑通”栽倒在地，呜呼身亡。
昔庞涓下山时，鬼谷曾言：“汝必以欺人之事，还被人欺。”庞涓用假书之事，欺孙膑而刖之，今日亦受孙膑之欺，堕其减灶之计。鬼谷又言：“遇马而瘁。”果然死于马陵，计庞涓仕魏至身死，刚十二年，应花开十二朵之兆，始见鬼谷之占，纤微必中，神妙不测。
田忌等班师回国，齐宣王大喜，设宴相劳，亲为田忌、田婴、孙膑把盏，相国驺忌自思昔日私受魏赂，欲陷田忌之事，未免于心有愧，遂称病笃，使人缴还相印。齐宣王遂拜田忌为相国，田婴为将军。
孙膑军师如故，加封大邑，孙膑固辞不受，手录其祖孙武《兵书》十三篇，献于宣王说：“臣以废人，过蒙擢用，今上报主恩，下酬私怨，于愿足矣。臣之所学，尽在此书，留臣亦无用，愿得闲山一片，为终老之计。”
庞涓好名利，总梦想着出将入相成为第二个吴起。为此，他帮魏惠王制定了弱赵以联三晋，灭秦后图天下的战略方针。但魏惠王外交上的失误让他陷入了被动局面，北拔邯郸之时，齐楚出兵，秦亦趁火打劫。拿下邯郸之后，于桂陵败于孙膑之手，后魏将邯郸还给赵国，其战略目标未能实现。桂陵之后将目光转向秦国，主张弱秦，灭秦。可惜魏惠王未能正确采纳其方略，仍固守统一三晋的方略不变，坚持打韩国，以至于被齐国渔翁得利，令魏国霸权衰落。真实的马陵之战远比史书中的精彩得多，此战为中国历史上以谋取胜的经典，可惜我们只能看到其中很小一部分。后人曾评价“魏惠王东败于齐，西丧秦地七百余里，南辱于楚，至于国之根本，竟成一俘者，皆因庞涓之一死。”