孙膑到了魏国之后，就居住在庞涓府中。孙膑感激庞涓的举荐之恩，又向他叙述了一番鬼谷子为他改名的事情。
第二天，庞涓带着孙膑入朝拜见魏惠王，魏惠王准备任命孙膑为副帅，庞涓说：“孙膑是我的同学，年纪比我大，是我的兄长，怎么能让兄长做我的副手，不如将他封为客卿，等他将来立了功，我就把爵位让给他。”于是，魏惠王就将孙膑封为客卿。实际上，客卿相当于宾客，虽然待遇和地位很高，但实际上并没有什么实权。自此之后，庞涓和孙膑的往来更加密切。
庞涓经常邀请孙膑喝酒，在酒席间庞涓向孙膑询问有关兵法的内容，孙膑从来都是知无不言，用心传授给庞涓。一次，魏惠王想要试试孙膑的才能，就在教场上让庞涓、孙膑各自摆兵布阵。庞涓布的阵法，孙膑一看就知道是什么阵法，该怎样破解。但是孙膑的阵法，庞涓却一无所知。庞涓私下里问孙膑，孙膑就告诉他说：“这叫做‘颠倒八门阵’，如果敌军来攻打的时候就可以变换成‘长蛇阵’。”庞涓事先从孙膑那里探听到他的阵法，当魏惠王询问的时候，就说了出来。魏惠王一看，庞涓和孙膑说的一样，就觉得孙膑、庞涓两人的才能不相上下，自己有这两个大将辅佐，心里十分高兴。
庞涓回府之后，心想：“孙膑的才能在我之上，如果不除掉他，以后肯定会威胁到我的地位。”于是就心生一计，想要谋害孙膑。庞涓知道孙膑从小父母双亡，又和宗族亲戚失散多年，于是，他就派人伪造了一封家书给孙膑，孙膑看到信之后，以为终于找到亲人了，就回信说：“我如今已经在魏国做官，不能立刻返回家乡，等以后我建立了功业，再回去和你们团聚。”庞涓模仿孙膑的笔迹，把回信改为：“我已经在魏国做官，但是心里仍然惦记着家乡，如果齐王有需要，我可以为他效命。”
庞涓拿着这封修改过的书信，向魏惠王报告说孙膑私通齐国，有谋反的心思。魏惠王就把孙膑交给庞涓处置。庞涓在孙膑面前假惺惺地说：“我已经在魏王面前为你求情了，他已经答应保你性命，但是你还是要受到刖刑，这是魏国的法令，不是我不尽力啊。”孙膑不知道是庞涓在陷害他，还十分感谢他说：“当初师父对我说会遇到一些小的灾难，但是不会太严重。这次多亏了贤弟的帮忙，才能保我的性命啊，你的恩情我不会忘的。”
孙膑受刑之后，双腿无力，只能天天坐着。孙膑觉得自己已经成为废人，每天接受庞涓的三餐，心里十分过意不去。庞涓求孙膑教授他孙武的《兵法》，孙膑就答应了。有个侍奉孙膑的仆人见孙膑十分可怜，就将庞涓利用他的事情告诉了他。孙膑听了大吃一惊，想要逃脱，又不知道该怎么做。忽然想起下山前，师父给的锦囊，于是就打开来看，只见上面写着“诈疯魔”三个字。孙膑会意，当天晚上，孙膑就假装疯癫，一会儿哭一会儿笑。庞涓担心他是假装疯癫，于是就把他拖到猪圈中去。猪圈里到处是猪粪，但是孙膑披头散发，倒头便躺在里面。庞涓又派人送去酒食，孙膑将酒食打翻，来人又拿起猪屎泥块给孙膑吃，孙膑拿过来就塞到嘴里。于是，庞涓才相信孙膑是真疯了，但还是派人每天盯着孙膑。
正巧，齐国派使者到魏国出使，听说了孙膑的才能，而且知道他遭人陷害，是在装疯，便偷偷地把他运出魏国，带到齐国。齐国大将田忌仰慕孙膑的才能，就把他推荐给了齐威王。齐威王想要让孙膑做官，孙膑推辞说：“我没有立过功劳，不敢接受。况且，如果让庞涓听说我在齐国，肯定会再来谋害的，还是先隐藏起来，如果有用我的地方，我一定竭尽所能。”于是，齐威王就让他住在田忌家里，把他尊奉为上客。
魏惠王废除孙膑之后，就派庞涓前去攻打赵国。赵国向齐国求救，齐威王就任命田忌为将军，孙膑为军师，率兵前去解救赵国。田忌想带兵直接去赵国邯郸，孙膑阻止他说：“赵国不是庞涓的对手，等我们到了的时候，邯郸已经被攻下了。我们将军队驻扎在半路上，就说要去攻打魏国，到时候庞涓一定会率军队回来，我们就在半路上袭击他，一定会取胜。”
果然，庞涓一听说魏国有难，就立刻率兵赶了回来，走到半路上，就被田忌率领的齐军袭击，两军交战多时，齐军诈败，庞涓率军一直追到桂陵。忽然看到齐军已摆好兵阵，正是当初孙膑的“颠倒八门阵”，庞涓心里疑惑：“这田忌怎么会知道这个阵法？莫非是孙膑已经归降齐国？”也没时间多想，庞涓赶紧布好兵阵迎敌。但齐军的阵势变化多端，最终庞涓的军队损失了两万多人，兵败而回。
后来，魏惠王派庞涓去攻打韩国，韩国也向齐国求救。齐威王又派田忌、孙膑前去营救。田忌又准备直接去韩国，孙膑说：“之前我们救赵国，没有去赵国，如今想要救韩国，也不用去韩国，我们可以直接去攻打魏国，逼迫庞涓从韩国退兵，回来救魏国。”
庞涓接连打败韩国军队，正准备进攻韩国都城，就接到齐军将要偷袭魏国的消息，于是便立刻班师回朝。孙膑听说庞涓就要来到了，就对田忌说：“这些魏兵，向来就彪悍勇猛，看不起齐军，而齐军本来就有怯懦的名声，善于用兵作战的将领就应该能够顺着事物的发展趋势加以引导，将不利的情况变得有利。我们可以假装成弱势来引诱魏军。”田忌问：“怎样引诱他们呢？”孙膑说：“我们今天挖可供十万人吃饭的灶，以后每天递减，魏军看到我们的灶越来越少，就会以为我们胆怯，他们的气势就会骄傲起来，追赶得就会更加急迫，体力也会耗费得更多，到时，我们就可以趁机攻打他们。”田忌听从了孙膑的计谋。
果然，庞涓一路走来，见齐军的灶越来越少，十分高兴，说：“我就知道齐军怯懦，刚来到我国境内三天就死亡过半了。”于是庞涓沾沾自喜，丢下他的步军，只带着精锐部队日夜兼程地前进，想要立刻把田忌捉住。孙膑计算着庞涓的行程，估计庞涓会在天黑的时候到达马陵。马陵道夹在两座山之间，地形险要，是个埋设伏兵的好地方。于是，孙膑就让人砍下路旁的树木，只留下一棵最大的树，剥去表皮，露出里面的白木，在上面写下“庞涓死于此树之下”，上面横批四个大字“军师孙示”。然后，让军中善于射箭的士兵在路的两旁做好埋伏，并约定：天黑后看见大树下亮起火光就一起射箭。又让田婴率领着一部分部队做好埋伏，从后面截杀魏军。
到了晚上，庞涓果然来到了这棵大树下，他看见树上隐隐约约地刻着字，就点着火把上前观看，一看上面的字，庞涓大吃一惊说：“我中了孙膑的埋伏了。”赶忙让军队撤退，但是已经来不及，齐军看到树下有火光，就万箭齐发，魏军顿时乱作一团，四处逃窜。庞涓知道自己已经智穷兵败，无计可施，就拔剑自刎。
齐军大败魏军，俘虏了魏国太子申之后回到了齐国。从此之后，孙膑名扬天下，他的兵法也流传后世。