一天，齐威王在猎场上与大将军田忌赛马。大家都押上了千金赌注。齐威王王宫里的马是从全国挑选出来的最好的马。虽然大将军田忌是军中高官，但他的马与国君的马相比就差了一等。因此，这场比赛实际上是国君为了娱乐而展示实力的比赛。大家都知道，比赛结果当然是国君赢的。
然而，这次比赛的结果出人意料——田忌赢了齐威王。那么，田忌是如何用自己较差的马赢了齐威王的呢？原来，田忌运用了兵法上的“对策论”，用自己最差的马与齐王最好的马比赛第一轮；第二轮用自己最好的马与齐王中等的马比赛；第三轮用自己中等的马与齐王下等的马比赛。这样，田忌就输了第一轮比赛，而赢了第二、第三轮。结果是以二胜一负赢了齐威王。稳操胜券的事怎么会输了呢？齐威王被弄糊涂了。田忌连忙告诉他，这是孙膑给他出的计谋。
孙膑是齐国人，是春秋末期帮助吴王打败过楚昭王的孙武的后代。他先同魏国人庞涓一起在深山里向老师鬼谷子学习兵法。学成之后，师弟庞涓先回到了魏国。鬼谷子又将他保存着的孙武的十三篇兵法再加上他自己的研究和发展成果传授给了孙膑。
这时的魏国已是魏惠王统治时期。魏惠王拜庞涓为元帅兼军师。庞涓一上任就同宋、卫、齐三国分别打了一仗，都取得了胜利。这样庞涓的名声就大了起来。魏惠王很高兴，得知庞涓的师兄孙膑还在鬼谷子那里没有下山，生怕又一个军事人才被别国抢走，就催庞涓写信招孙膑一同到魏国来。
孙膑来到魏国后，魏惠王十分高兴。他想试试孙膑和庞涓的才能究竟谁高，就在演武场上让两人各布一个阵法。庞涓先布，孙膑很快讲出了这个阵法的名称和破阵的方法。接着，孙膑也布了个阵法，但庞涓却不懂此阵的名称和变法。他急出一头汗，只好悄悄去问孙膑。孙膑是个老实人，不忍心让师弟在魏王面前出丑，就告诉了他。于是庞涓就上台回答魏王：“孙膑布的是‘颠倒八门阵’，遭到进攻时，可以变为‘长蛇阵’。”魏惠王见两人旗鼓相当，就想封孙膑为副军师，但却被庞涓阻止了。他对魏王说：“孙膑是我的师兄，不能屈居在我的下面，还是先封他为‘客卿’，待他施展才能立下军功后，我就让位给他。”魏惠王见庞涓说得诚恳，就同意了他的意见，封孙膑为“客卿”。
哪想到庞涓这一切全是虚假的。实际上，他怕师兄的才能在他之上，影响了他在魏国的前途，早就开始设计陷害孙膑了。一天，他让自己的部下丁乙打扮成山东来的商人，说是孙膑老家的两个哥哥孙平、孙卓托他带来一信，劝孙膑回家乡团聚。孙膑信以为真，亲手回了一信，还给了丁乙一些银两，让他带回家去。庞涓就将孙膑的复信拿到了魏惠王那里，诬告他企图逃离魏国，私通齐国。魏惠王一怒之下，下令将孙膑处以刖刑，割去了他的膝盖骨，并且在他的脸上刺上了“私通外国”的字样。
孙膑被刑罚后，庞涓假惺惺地将他接到自己家里，替他治疗伤口，照顾他的生活。孙膑不了解真相，还很感激庞涓。庞涓趁机提出要孙膑将孙武的兵法传授给他。于是，孙膑每天在木简上辛苦地写兵书。庞涓迫不及待，常常派人来催。
一天，庞涓派去服侍孙膑的仆人诚儿看不过，就对来催讨兵法的人说：“孙先生受刑致残，只能躺着，坐的时间长了就受不了。你们催得这么急干什么？让他慢慢写好了。庞将军和他是师弟兄，总会理解的。”那催讨的人就附在诚儿耳朵边轻声地说：“告诉你，千万别说出去。这一切实际上都是庞将军的阴谋。他是害怕孙膑的才干，所以待孙先生的兵书一写完，孙先生也就死定了。”
虽然声音小，但敏感的孙膑还是听到了。他决定向庞涓讨回这笔血债，于是决定装疯为脱身之计。第二天，当仆人给他送饭时，他突然抢过饭罐砸了，大喊大叫：“你们为什么要毒死我？为什么？”喊完后，他把写好的木简都扔进了炉火里烧了；接着，扑倒在地，口吐白沫昏了过去。待仆人去报告庞涓时，孙膑又一会儿哭，一会儿笑，并拉住庞涓的衣服喊：“师父救我！先生救我！”
庞涓见孙膑疯了，便命人将他扔在猪圈里。孙膑与猪仔为伍，也全不知觉。于是，庞涓就放松了对孙膑的监视。孙膑可以随便在街头爬来爬去，没人管他了。
正巧，一天有齐国的使者经过，见到了满身污秽的孙膑，就偷偷地将他藏在车子里面带到了齐国。过了好几天，庞涓才想起孙膑，但查来查去，只在一口井边发现了孙膑原先穿的破烂衣服。庞涓就去报告魏王说孙膑已经投井死了。从此，魏国也就将他忘记了。
再说孙膑被营救来到齐国，齐国的大将军田忌出都城十里去迎接他，将他接到了自己的家中。孙膑见自己国家的人这样欢迎他，愁苦的脸上终于第一次露出了笑容。
田忌将孙膑推荐给齐威王，齐威王封孙膑为军师，经常请孙膑到宫里讲解兵法，请他出主意帮助训练和部署齐国的军队。
周显王十五年（公元前364年），魏国派庞涓为大将，率兵车五百乘进攻赵国。魏军一路势如破竹，很快地就打到了赵国的都城邯郸。庞涓的军队将邯郸围了个水泄不通。赵成侯连忙派使者向齐国求援，并答应割让中山（今河北定县一带）作为酬劳。
在军事实力上，当时齐国还不如魏国强大。但齐威王知道，如果赵国被灭亡了，魏国的实力会更加壮大，而那时，齐国也就危险了。再加上现在齐国的军队在孙膑的训练下，战斗力已大大加强，因此，他决定派孙膑为大将，出兵援助赵国。但孙膑对齐王说：“我是个受过刑的人，不能身先士卒，带头冲锋陷阵，还是让田将军带兵，我给他当参谋吧。这样也可让庞涓失去警惕。”
第二年，齐军终于出发。他们打着“田”字旗号，孙膑坐在一辆带篷的车子里暗中指挥。但齐军没有去攻打赵国，而是直奔魏都大梁（今河南开封）。这就是孙膑“围魏救赵”的计策。
果然，正如孙膑所料，魏惠王听到齐军来攻打大梁的消息，慌忙派人通知庞涓赶快回兵救援。接到命令时，庞涓刚攻破邯郸，军队还没来得及休整，就只好心急如火地往回赶。庞涓哪里想到，此时孙膑已经将齐国的精兵埋伏在魏军回来时必经的要道——桂陵（今河南长垣西北）等着他了。当连续作战行军、疲惫不堪的魏军到达桂陵时，以逸待劳的齐军就一拥而上，将魏军打得大败，庞涓只得率残兵奔回魏都。
事后，庞涓才知道自己中了孙膑“围魏救赵”的计策，孙膑原来没有死，而是逃到了齐国。但此时后悔，已经来不及了。于是庞涓又设法离间齐威王与田忌、孙膑的关系，派人到齐国去散布田忌、孙膑企图夺权的谣言。齐威王听信了谣言，就剥夺了田忌的兵权；孙膑也辞去了军师的职务。
十二年后，庞涓与魏太子申一同率魏军伐韩。韩国急忙请求齐国援助。齐威王别无选择，只得重新起用田忌和孙膑。孙膑给田忌出的主意仍然是：“围魏救韩”，伺机歼敌。
果然，庞涓的军队与韩军打了五六次硬仗，虽然魏军都打胜了，但双方的伤亡都很惨重。庞涓正准备一鼓作气，攻下韩国的都城郑（今河南新郑）时，忽然得到边境的通报：齐军又向魏国本土进攻了！庞涓气得七窍生烟。他想，上次桂陵失败，是因为自己贪功，待攻下了赵都邯郸以后才回兵，动作慢了，军队又疲劳，才吃了亏；这次我立即班师赶回去，与你们决一死战！主意一打定，他就下令魏军后队当前队，马上离开韩国，返回魏国。他自己率领一部精锐轻骑，赶在前面。
这时齐军已经深入魏国的腹地。当他发现齐军第一天的宿营地时，有十万做饭用的灶，而第二天只剩下五万，他不由得心中一阵欣喜：原来齐军一天中竟然逃散了一半人，怪不得他们不敢与魏军交战而匆匆撤退了！等到赶到齐军第三天的营地时，只剩下三万灶了，庞涓不由得心花怒放：这样没有战斗力的军队，不赶上去消灭它，更待何时？于是，他下令魏军昼夜兼程，迅速追击齐军。
再说孙膑与田忌率领的齐军此时已经抵达马陵（今山东莘县西南）。孙膑估计，庞涓的军队傍晚时分也能赶到。于是他下令齐军主力埋伏在马陵两边险峻的山谷里；用乱石、断木堵住马陵道口，在道口的一棵大树上剥去一块树皮，用墨笔写上：“庞涓死于此树下！”。同时命令五千弓箭手，埋伏在大树两旁的山坡上，待看见树下的火光就万箭齐发。一切准备就绪，就只等庞涓上钩了。
这一天在阴历十月，太阳快要落下山了，初冬的寒风夹着落叶在山口呼啸飞旋。庞涓率领的轻骑队风驰电掣般地赶到了马陵道口。但见道口已被乱石、树木堵住，只得下马上前察看。走到一棵大树旁，庞涓见到被剥去皮的泛白处，上面有隐隐的黑字，在黑暗中看不清楚，就让随从点起火把照亮了。一看，上面写着“庞涓死于此树下”，庞涓大吃一惊，心里想着又是那个孙膑在捣鬼。还没完全反应过来，就听到一声鼓响，齐军万箭齐发，场面一片混乱，有的中箭倒下，有的四处奔窜逃命。庞涓身中数箭，倒在地下。这时，只听得两边山谷里，鼓声震天，杀声动地，齐军漫山遍野冲来。庞涓身负重伤，自料已不能脱身，只得拔出身上的佩剑，割颈自杀了。庞涓临死前仰望夜空，长叹道：“都怪我没有果断杀了那个瘸子！现在反而成全了你们！”
魏军失去了主帅，纷纷溃逃，齐军乘胜追击，太子申率领的魏军后队还不知所措，便被齐军截住击溃。这场战役让齐国的威望大大提高，从此齐国成为了战国七强之一，而魏国则开始走向衰落。
齐威王赐予孙膑封地，但孙膑坚决不受，他将自己所著的兵书献给了齐王后便隐居于深山之中。