孙膑到了齐国，沐浴换装，面貌一新。齐王早知孙膑的大名，如今一见，真是相见恨晚，当时就要不顾“刑徒”终身不能为官的礼制，赐孙膑高官厚禄。孙膑言道：“大王不可，我寸功未立，不能受赏。再者，如庞涓知道我还活着，一定会来攻打齐国。不如请您允许我藏而不露，待到国家有事时，我再效全力不迟。”齐王允诺。
公元前353年，庞涓领魏惠王命率大军包围了赵国都城邯郸。赵王派人向齐国求救。齐王向孙膑问计，孙膑认为应该出兵。齐王想拜孙膑为大将领兵救赵，孙膑说：“我乃刑余之人，领兵带队恐辱大王脸面，不如请田忌大夫为大将，我辅佐他好了。”齐王就拜田忌为大将，孙膑为军师领兵救赵。
孙膑向田忌建议道：“我料赵军非庞涓对手，如按原计划救赵，恐怕我们还未到时，邯郸就已被魏军攻破了。不如我们声东击西，直接攻打魏国的都城安邑，这样，庞涓必定回兵救援，我们再在半路上埋伏好，打庞涓一个措手不及。既解了赵国之围，又可打击魏国的气焰，减少它对齐国的威胁。不知将军意下如何？”田忌说：“就依先生。”
庞涓包围了邯郸，正得意之时，忽有探马来报说齐国攻打安邑。庞涓一愣，心想齐国必藏有高人，才能想出如此妙策。他顾不得休整部队，急忙回师救援。听说国都危难，魏军人人心乱，加上连日征战，人马未歇，此时回援的魏军，丢盔卸甲，士气低落，犹如失败之师。
好容易回到魏国，看看离国都已不太远，庞涓刚想喘口气，却不料在桂陵地方中了齐军的埋伏。由于事出意外，魏军毫无防备，被齐军杀得大败。败走间，庞涓远远看见齐军阵中大旗上斗大的“孙”字，心中大惊，暗道：莫非是那瘸子不成？!遂急令撤兵。庞涓败回，多方打探，知孙膑确在齐国效力，大呼上当，一时不敢轻易犯齐境。