孙膑并没有墨守成规旧套。他冷静地分析了敌我双方的情况，认为这一次魏军有一定的准备，兵力也较多较强，而且是主动迎击齐军，来势猛烈。为了避免和魏军正面冲突，应该抓住他们兵骄和急于求战的心理，因势利导，以计胜之。他对田忌说：“善战者因其势而利导之，兵法上也说，被利诱而深入百里，去追击敌军，必丧失大将；追击50里，势必折损一半士兵。我们就要在这上面想办法，做文章。”田忌进一步问他如何“因势利导”，他胸有成竹地说：“彼三晋（这里专指魏）之兵，素悍勇而轻齐，齐号为怯。”就要利用魏军的这一心理，设法诱其中计。具体做法是：齐军装做惧怕魏军的样子，主动引兵东撤。在退兵途中，第一天造10万人做饭用的锅灶，第二天减为五万人的锅灶，第三天减为三万人。魏军追兵见我军锅灶逐日减少，一定认为齐军怯战，逃亡过半，从而助长其骄傲轻敌的思想，诱其拼命猛追，其力必疲，然后再以计取之。田忌听罢大喜，完全依膑之计而行。
庞涓怒气冲冲地率兵从韩返魏，望西南而行，心想韩兵屡败，建功立业已唾手可得，却被齐兵侵扰，毁其大事，不胜之愤。本来要痛痛快快地与齐兵决一死战，不料齐兵又撤退逃窜，于是整顿兵马，紧紧追赶。追击开始之时，庞涓恐齐兵有诈，还是比较谨慎的，行军速度亦不甚快，各队之间联络照应有致。后来他发现齐兵的锅灶一天比一天减少，这才放下心来，以为齐军果然怯弱，闻魏兵将至竟不战而逃亡过半，士气已经低落到不堪一击的程度，这是雪桂陵之耻的天赐良机。处于亢奋之中的庞涓当下传令，将步兵留后徐行，自己亲率精锐骑兵，马不停蹄，昼夜兼程地沿着齐军撤退的方向猛追不舍。
田忌与孙膑从容地率兵撤退，同时派出许多侦探，观察并随时报告魏军动态。当孙膑得知魏军已过沙鹿山之时，屈指计程，准确地预计到魏军日暮必至马陵（今河南范县西南）。马陵地势险峻，一条窄道夹在两山中间，道旁树木丛生，是设伏歼敌的好战场。于是孙膑命令齐军停止前进，砍伐树木，堵塞道路，设置障碍，布下重重埋伏，准备围歼追敌。孙膑还特意命士兵把路旁的一棵大树刮去一段树皮，在白色的树干上用黑煤书写了八个大字：“庞涓死于此树之下。”一切准备就绪后，孙膑挑选了弓弩手一万人，埋伏在山路两旁。弩也叫“高弓”，是用机关施放的弓，一次可射数支箭，亦可射石，杀伤力比一般的弓要厉害得多。孙膑吩咐他们，今夜一发现火光，就一齐放箭，不得有误！
果然不出孙膑所料，庞涓率领魏军来到马陵道时，恰好日落西山，其时十月下旬，又无月色。前军回报说，有断木塞路，难以前进。庞涓以为是齐兵惧怕魏军追赶，故设障碍，便命人搬木开路，忽然抬头看见树上砍白处，隐隐有字迹，但昏黑难辨。命军士取火照之，众军士一起点起火来，庞涓于火光之下，看得分明，大惊中计，急叫退兵，可惜已经晚了，齐军万名弓弩手一见火光立刻万弩齐发，喊声四起。魏军顿时大乱，被四面包围，既无法抵抗，又无处逃跑，全部被歼。庞涓在乱军中，身中数箭，自知“智穷兵败”，无法挽救危局，叹道：“吾恨不杀此刖夫，遂成竖子之名！”即引佩剑自刎喉而绝。庞涓所率精锐被歼后，齐军乘胜发起进攻，魏兵心胆俱裂，无人敢战，各自四散逃生。10万魏军曾经不可一世，如今尸横遍野，全军覆灭，统帅太子申亦成俘虏，魏军轻重军器、车马粮草，尽归于齐，齐军取得了战略决战的胜利。这就是历史上著名的马陵之战。
马陵之战后魏国元气大伤，国势从此一蹶不振；齐国则声威大震，诸侯慑服，中原霸主之尊也取魏而代之。孙膑“减灶诱敌，设伏聚歼”的军事谋略，以强示弱、迷惑敌人、因势利导的战略战术，使他名扬天下，功垂青史，实现了平生抱负。
5.为田献计，兵书传世
马陵之战前后，齐国上层统治集团内部的矛盾和倾轧日益激化，相国邹忌与大将田忌的关系越来越紧张，虽然还没有表面化，其实质已经形同水火。邹忌对田忌和孙膑因桂陵之战而专宠于王十分不满，总以为对自己的位置形成了威胁。出兵救韩他之所以极力反对，主要原因也是耽心田、孙再立大功，于己不利；及至齐宣王赞成出兵，他又想借刀杀人，希望田、孙战死沙场或战败后说服齐王将他们罢黜，因此齐魏交兵时他曾暗中与魏人接触，阴谋坏事。而这一切田忌都浑然不觉，尽管他与邹忌有分歧，但他无论如何不会想到相国会阴鸷到置他于死地的程度。孙膑一步入人生便遭到同窗好友的陷害，对于政治斗争的复杂性和残酷性有较为清醒的认识，邹忌虽不露声色，然而田忌命运的阴影，他还是感觉到了，观察到了。
马陵之战结束后，孙膑认为田忌以胜利者的姿态凯旋入朝，势必要使邹忌妒火难忍，也势必要加快他阴陷田忌的步伐。因此，孙膑建议田忌派一部分部队守备在“主”地，主的道路奇小，来往车辆，轮子都要碰触，是个以一当十、以百当千的要害之地，易守难攻，可以作为根据地。有了这样一个稳固的随时可用的根据地之后，再率精锐之师直逼齐都临淄，拥兵入朝，给邹忌以强大的威慑，使他不但不敢加害于田忌，而且他看出来势不妙，贼人心虚，很可能因此而出逃。
这是个断金镕铁的果敢措施，本可以确保田忌的安全，可惜田忌并未采纳。
班师回朝后，孙膑请辞军师之职，齐宣王恳词慰留，田忌也苦心相劝，却都动摇不了他急流勇敢的决心。齐宣王只好召开盛宴，欢送孙膑出朝离开国都，后来竟不知其所终。一代杰出的军事大师就这样在激烈争斗的战国政治舞台上消失了。
后来事情的发展果如孙膑所料，邹忌制造谣言，阴谋计陷田忌，田忌被迫逃亡到了楚国。与田忌关系密切的人也都受到了株连和迫害。
孙膑毅然决然地摆脱了政治上的纠纷，摆脱了虚华浮贵，急流勇退，归隐田园，显示了超常的先见之明。然而，孙膑绝不是一个寄情山水虚度年华之人，他把晚年的全部精力用于军事理论的研究和著述。由于他师承孙武的兵法，并有独到的颖悟和创见，同时还具有统兵治军、实地作战的实践经验，因此他不但继承并发扬了乃祖孙武的军事思想，而且有许多自己的东西，使我国古代的军事理论更加具体、深刻，不断地得以完善和创新。孙膑的《孙膑兵法》承前启后，流传千古。据《汉书·艺文志》记载，《孙膑兵法》原有98篇，图四卷，早在战国后期就已广泛流传于世，可惜这部重要著作，在东汉末年失传了。1972年在山东银雀山汉墓中发现，经整理得一万余字，上篇有擒庞涓、见威王、强兵等15篇；下篇有十阵，十问、奇正等15篇。此书在春秋时期孙武《孙子兵法》和吴起《吴子》等兵书的基础上，对先秦的军事思想有重大发展，有很高的军事学术价值，对后世军事家影响甚大。
孙膑继承了《孙子兵法》的朴素唯物论和朴素辩证法的思想，在“知己知彼，百战不殆”的科学论断基础上，提出了以“道”制胜的重要的军事哲学观点。所谓“道”是指如何认识和运用战争规律的问题。例如“强兵”之“道”是“富国”；“破强敌，取猛将”之“道”是“阵”、“势”、“变”、“权”；“以一击十”之“道”是“攻其无备，出其不意”等等。孙膑高度重视战争中主观上的正确指挥，并把这一切都提到“道”的高度来认识，“知道，胜”，“不知道，不胜。”在战争的性质与作用方面，孙膑的观点具有重大的进步意义。他通过对古代黄帝战蚩尤、武王伐纣、周公东征等历史上战争的分析，充分肯定了统一的正义的战争对于历史发展的积极意义。面对春秋战国时期纷乱的政治形势和天下分裂、弱肉强食的残酷事实，他认为单纯地用“仁”、“义”等空洞的说教已不能解决问题，为了使国家统一，黎民早日从战争之火中解脱出来，只有通过战争才能解决问题。他提出了“战胜而强立”这样重要的战争观，适应了当时历史发展的客观趋势，是具有重大进步意义的。与此同时，孙膑也认为，战争是关系到国家生死存亡的大事，残害生民、暴殄天物，要严肃慎重地处理，他反对迷信武力、穷兵黩武。孙膑主张，为了确保战争的胜利，必须大力发展经济，变法革新，富国强兵。只有充分的物质储备和事先做好战争准备，同时握有进行战争的正当理由，才可以确保统一战争的胜利。这样，孙膑就跳出了把战争只当做战争的孤立而狭隘的局限，而将战争与政治、经济、哲学、伦理融合于一体，从而形成了具有中国特点的战争理论。
在战略战术方面，孙膑对古代军事理论也有杰出的贡献。战国中期的战争，无论是在战争的规模上、兵器的使用上，还是在战争的形式上较前都有重大的变化与发展。例如，传统的车战已逐渐为更加灵活的以步骑为主的作战形式所替代；传统的弓箭也逐渐为杀伤力更大的“弩”所替代。为了适应这一新的情况，孙膑提出了大规模机动作战的战略主张，形成了“必攻不守”这一重要的战略思想。所谓“必攻不守”，就是要“必攻”（坚决打击）敌人“不守”（空虚要害）之处。桂陵之战和马陵之战都是这一战略思想的生动体现，围魏救赵，避实击虚，攻其所必救，攻其所不守，牵一发而动全局，迷惑敌人，调动敌人，疲惫敌人，然后出奇制胜，一举全歼，取得战争的全面胜利。在《孙膑兵法》中，孙膑提出了许多关于作战指导思想和作战原则的主张，集中反映了孙膑灵活用兵、巧妙造势的战术思想。《吕氏春秋》说“孙膑贵势”，也就是说，孙膑在战争中十分重视在各种不同的态势面前，要根据敌我双方的不同条件采取不同的用兵方法。齐威王问孙膑，在“我强敌弱、我众敌寡”的情况下，应该怎么办呢？孙膑回答说：“夫众且强，犹问用之，则安国之道也。命之曰‘赞师’，毁卒乱行，以顺其志，则必战矣。”（见《孙膑兵法校理》）。也就是说要巧施欺诈，示弱于敌，迷惑敌人，骄其志，引其战，然后聚而歼之。相反，如果是敌强我弱、敌众我寡，那该怎么办呢？齐威王和田忌都向他问过这个问题，“适敌众且武，必战，有道乎？”。孙膑回答说：“有。埤垒广志，严正辑众，避而骄之，引而劳之，攻其无备，出其不意，必以为久。”同时提出，在这种情况下要善于“让威”，“必藏其尾，令之能归……”（见《孙膑兵法校理》）。也就是说要先让一步，避免与敌正面决战，用计打乱敌之部署，出奇制胜。此外，孙膑还提出了在平原旷野、山区险地、要塞隘口等各种地理环境下的用兵原则，使自己处于“生地”，掌握主动权，而使敌人处于不利的“死地”，从而夺取战争的胜利。孙膑的战略战术思想揭示了战争中的一些普遍规律，丰富了孙武的军事理论，提供人们高超的战斗指挥艺术的欣赏。
在治军方面，孙膑认为“天地之间，莫贵于人。”强调以人为贵的原则，是军队建设的根本要求，反映了孙膑积极进步的历史观。孙膑对将帅的要求十分严格，“将者不可以不义、不仁、不德、不信、不智、不决”（见《孙膑兵法校理》）。也就是说仁义道德、有勇有谋是一个将帅的先决条件。同时，将帅还必须“上知天之道，下知地之理，内得其民之心，外知敌之情，阵则知八阵之经，见胜而战，弗见而诤，此王者之将也”（见《孙膑兵法校理》）。也就是说，将帅应该具有丰富的知识和胆识，上知天文，下知地理，内得民心，外晓敌情，精通八阵，预见到战争胜利则出征，预见到战争不胜则能极力劝谏罢战。孙膑还从反面提出了导致“将败”的原因，“一曰不能而自能，二曰骄，三曰贪于位，四曰贪于财，六曰轻，七曰迟，八曰寡勇。九曰勇而弱，十曰寡信，十四曰寡决，十五曰缓，十六曰怠，十八曰贼，十九曰自私，二十曰自乱。多败者多失。”（见《孙膑兵法校理》）。这就构成了一套完整的将帅素质的要求。孙膑主张注重士兵的质量，严格训练，正确地运用赏罚手段，“夫赏者，所以喜众，令士忘死也；罚者，所以正乱，令民畏上也。”同时他也指出，不能单纯依靠赏罚去祈求战争的胜利，尤其反对在错误的指挥下强迫士兵去做无谓的牺牲。孙膑把士兵比作矢，把将领比作弩，把国君比作射箭之人，士兵要勇敢作战，将领要正确指挥，国君要作出正确的决策，三位一体，才能确保战争的胜利。孙膑强调将帅在战争中的地位、作用，对其德才兼备提出了许多具体要求；对士兵和国君及与将相之间的关系也都有精辟的见解，使孙膑的建军思想较《孙子兵法》有了一定的发展。
《孙膑兵法》是古代军事理论的重要论著，也是中华思想宝库中一颗灿烂夺目的瑰宝。
孙膑的一生历尽艰难坎坷，但他在残酷而险恶的现实面前，并没有向恶势力低头，而是以其超群的智慧，富有传奇色彩地跨上了可以驰骋才智的政治舞台。桂陵之战和马陵之战是他一生的军事“杰作”，也是我国战争史上的“奇葩”，充分显示了他那过人的谋略。孙膑对齐国做出了重大贡献，对于战国中期的历史发展也起到了推动作用，产生了一定的影响。他的军事理论和战争实践，奠定了他的历史地位，使其成为我国古代杰出的军谋家。