公元前354年秋，庞涓自以为孙膑已死，天下无对手。为了展示其才能，替魏国开疆拓土，他说服了惠王，率领10万精兵，北上入侵齐国的盟国赵国。魏家将打头，长驱直入。赵国首都邯郸被围。赵王派人求救于齐国。
齐威王决定拜孙膑为帅，出兵救赵。孙膑辞谢说：“不行，不行，臣是个残废人，拜我为帅显得齐国别无人才，让敌人讥笑，再说，庞涓知我未死，一定会加倍小心，这对我国也是不利的。臣请拜田忌将军为帅吧！”威王点头应允，就拜田忌为师，孙膑为军师，立即出兵。
出兵的这一天，田忌下令齐军直奔邯郸。孙膑说：“不行不行！”田忌感到意外地问：“我们不是去救援赵国吗？救兵如救火，去晚了，邯郸恐怕就完了。”孙膑说：“赵军不是庞涓的对手。不等我军赶到，邯郸城早就破了，那就成了雨后送伞了。”田忌说：“军师，你说怎么办吧？”孙膑说：“我们避实就虚、声东击西，大军直捣魏国首都大梁。庞涓知道后，定然撤军回救。我们从半路截击，以逸待劳，定获胜利！”田忌听后连连点头说：“妙计！妙计！就依军师高见。”
庞涓果然一鼓作气地攻下了邯郸，正要追击残余赵军，一举扫平赵国全境时，突然接到魏惠王紧急谕旨，令其火速回军，以解大梁之围。庞涓不敢怠慢，立即下令，以急行军速度火速回师！
齐军进入魏国，没有遇到大的抵抗而长驱直入地兵临大梁城下之后，围而不打地撤到桂陵。孙膑知道，桂陵乃魏军回师必经之地，就选择了有利地形，埋伏下精兵强将，等待鱼儿上钩。庞涓率兵回援，一天走100余里，走了近10天，将士已十分疲劳，到了离桂陵20里地时，突然战鼓咚咚，一军杀出，拦路腰击。领兵人乃齐国牙将袁达。庞涓见齐军人少，就命侄儿庞葱领兵接战。两人杀了20多个回合，袁达诈败而虐。庞涓挥军追赶，将到桂陵，只见迎头又一支齐军摆开阵势。庞涓登高一望，正是孙膑刚到魏国时于教场内摆的颠倒八门阵。庞涓心中纳闷：“那田忌怎么也知道此阵？莫非他已求教过鬼谷子？”正在此时，一阵鼓响，齐军中闪出一员主将，全身披挂，手执长戟，认军旗上绣着一个田字。田忌在先锋田婴的护卫下高呼：“庞涓小儿，速来送死！”庞涓怒瞪双眼：“你田忌有何本事，敢与我庞大元帅对阵？”田忌冷笑一声说：“庞涓，你不要逞能。你认识我这阵法吗？”庞涓说：“此乃颠倒八门阵！”田忌说：“你敢来攻阵吗？”庞涓迟疑了一下，要说敢打，又无把握；要说不敢，岂不丢脸？于是，就硬着头皮说：“打！”田忌心中暗喜地说：“好！我们走着瞧！”
田忌引田婴回马入阵。庞涓对身旁的庞葱、庞茅、庞英说：“你三人各领一军待命出击。我领头打阵。你们看阵势一变，就三队并进，使其首尾不能相顾。”“是！”三个庞家将奉命分兵走后，庞涓就带领500精兵上前打阵。他才入阵中，只见八方旗色，纷纷转换，东冲西杀，找不到出路。正在此时，一阵金鼓齐鸣，齐军推出一辆戎车，车上高坐着一个浓眉大眼威武英俊，手持令旗的主将，背后的认军旗上绣着一个大大的“孙”字。庞涓连喊：“打鬼！打鬼！”孙膑高声叫道：“庞涓，你这人面兽心的势利小人。我不是鬼，是你害不死的义兄孙膑。老天有眼，冤家路窄。你今天敢攻打我的颠倒八门阵，我马上叫你变成鬼！”庞涓闻言胆战心惊，连忙下令退军！孙膑把令旗一挥，几队齐军一齐冲杀过来，杀得魏军弃甲丢盔，横尸遍地。庞涓自认将死之时，三位庞家将赶来解围。双方一场恶战，庞茅被田婴一枪刺死。庞英、庞葱奋力死战，损兵大半才救出庞涓逃出阵去。
庞涓死中逃生，不敢恋战，急忙率领残兵败将，像条丧家犬一样，夹起尾巴逃回大梁，紧闭城门死守不出。
在这次作战中，孙膑运筹帷幄，指挥若定，运用了灵活机动的战略战术，抓住要害，攻其必救，以逸待劳，声东击西，始终掌握主动，牵着敌人的鼻子；待时机成熟之时，给敌人以重创，充分显示了卓越的军事才能，同时为齐国争霸中原、战胜强魏奠定了基础。
