孙膑到齐国后,很快就结识了齐国的大田忌。那时侯,田忌经常和齐威王赛马。他们把各自的马分成上,中,下三等。比赛的时候,由于齐威王每个等级的马都比田忌的马强得多,所以比赛了几次,田忌总是输。孙膑就给田忌出主意说:“我有办法能让你赢了齐威王。”于是田忌和齐威王以一千两黄金为赌注,又开始了新的一场比赛。孙膑调整了三个等级的马的比赛顺序,第一局先以田忌的下等马对齐威王的上等马,田忌肯定是输了。
但是第二局,田忌的上等马对齐威王的中等马,田忌获胜了。第三局田忌的中等马对齐威王的下等马,又战胜了这一局,比赛的结果是三局两胜,田忌终于赢了齐威王。齐威王好奇地问田忌计出何人?田忌就借此机会向齐威王推荐了孙膑。齐威王在听了孙膑的兵法论述后,非常欣赏他的才能,任命孙膑为齐国的军师,孙膑也就由此开始了他的辉煌军事生涯。
公元前354年,魏国大庞涓率8万精兵进攻赵国,包围了赵国都城河北邯郸。赵国苦战了一年,眼看就要撑不住了,急忙向盟国齐国求救。于是,齐威王命田忌为主将,孙膑为军师,率兵8万去救赵国。
田忌采纳了孙膑“围魏救赵”的战法,挥师直逼魏国军事重镇山东定陶的平陵。刚开始,孙膑攻打平陵的行动并不坚决,直到庞涓占领邯郸,损兵折将急需休整时,孙膑才指挥齐军直捣魏国首都河南省开封市西北的大梁,逼得魏惠王十万火急命令庞涓统兵回救。庞涓接令后,不得不放弃邯郸,抛弃辎重,昼夜兼程回师。
孙膑判断庞涓部队必经河南长垣西北的桂陵,立即率齐军主力北上,在桂陵设下埋伏。当魏军经长途跋涉行至桂陵时,以逸待劳的齐军突然出击,大败魏军,庞涓只身逃回魏国。