后来魏国伐赵，赵请求齐国支援。齐威王本想任命孙膑为大将军，可是孙膑以“受刑的残疾人”为由给推掉了，最后充当田忌的军师，随军出谋划策。
按照田忌的意思，直接挥兵而下，解决赵国。
可是孙膑却说不可，并告诉田忌，用军事解决纷乱的纠纷，光靠握紧拳头使用蛮力是不行的，必须把手指一个个的打开，才能轻松地解决问题。
魏国重兵攻击赵国，国内必定只有一些老弱病残，将军不如带兵，直奔魏国，他们必定会撤兵自救，这样赵国的危机就解除了，而我们只是跑跑腿而已，根本就没有什么损失。
田忌听取的孙膑的意见，果然如其所料，这就是著名的“围魏救赵”。
周显王十六年(前354年)，魏国派庞涓率兵8万，由大梁(今河南开封市西北)出发，北上进攻赵国的都城邯郸(今河北邯郸西南)。赵国无力打破魏军的围攻，便向齐国求救。齐王想用孙膑为将，孙膑辞谢说：“刑余之人不可。”(《史记·孙子吴起列传》)于是齐王于公元前353年派田忌为主将，孙膑做军师，坐在军车之中筹谋策划，率兵前去救赵。田忌想领兵直奔赵国，孙膑劝阻道：“凡是要解开纷乱的丝绳，一定要找出它的结头，不可用拳头乱砸；要解劝斗殴的，不可帮着去打；避实就虚，在形势上阻遏制止住敌方，自然就可以解围。现在魏国攻打赵国，它的轻兵锐卒必然都在前线，老弱残兵留守国内，您不如引兵围攻大梁，占据交通要道，攻打它防卫空虚之处，魏国一定放弃攻打赵国而自救。这样我们就一举解了赵国的围，又收到了攻击魏国弊弱的效果。”田忌采纳了孙膑批亢捣虚的建议，将主力集结于预设阵地桂陵(今河南长垣西北)，准备歼敌。大约在十一月间，庞涓回兵桂陵，遭到齐军截击，败回大梁。
而另一个故事，就是师兄弟之间恩怨之争了。
围魏救赵过去13年之后，魏国联合赵国，开始进攻韩国。无奈之下，韩国又向齐国求助。韩国是一定要救的，可是在早救还是晚一点在救，齐威王一时间拿不定主意了。
桂陵战后的十三年(前341年，齐威王十六年)魏国联合赵国韩国向齐国告急。
在朝堂商议之时，有的大臣认为，干脆不救，让其自生自灭，而田忌认为，要是不救，韩国投降魏国，对齐国极其的不利，坚持早救。
而孙膑这个时候，给出了不同的意见：
魏国、韩国还没有交战，如果这个时候齐国出兵，相当于代替韩国受伐，局势就会逆转，反而成为齐国有求于韩国，将会受到韩国牵制。而魏国想一举拿下韩国，韩国只能求助于我们，等他们打起来之后，我们在出手，就可以名利双收了。
齐威王认为极有道理，采用孙膑的意见。
齐国于是在韩魏两军久战俱疲的时机，命田忌为将，孙膑为军师，出兵救韩，直取魏国首都大梁。魏国得知齐军攻魏救韩的消息后，立即撤去围韩之军回到大梁，魏国国君魏惠王决心集中主力迎击齐军，以报桂陵之战失败之仇。
最初的时候，韩国仗着齐国会帮忙，主动出击，造成了几次巨大的失败，只能再次求助于齐国。这个时候，齐国才让田忌为将军，孙膑为军师，派兵援助。
魏国得知齐军攻魏救韩的消息后，立即撤去围韩之军回到大梁，魏国国君魏惠王决心集中主力迎击齐军，以报桂陵之战失败之仇。于是，他命太子申为上将军，庞涓为将军，率领10万军队主动迎击齐军，寻求决战。
刚开始的时候，孙膑继续用“围魏救赵”的招数，然而这次是庞涓出战，让齐国大军陷入包围之中。
这个时候，孙膑给出了建议：
魏国一直请示齐国，认为齐军都是胆小鬼，想要取胜，必须利用他们这种轻敌的心理。第一天，我们修筑十万口灶，第二天只修筑五万口灶，第三天修筑三万口灶，逐渐的诱敌深入。
果然，魏军坚信齐军都是胆小鬼，不到三天的时间，就逃走的一大半。于是魏军放弃了步兵，直接用骑兵追击。
孙膑估计庞涓必定会上当，到了马陵这个地方，孙膑认为是最合适的伏击之地，于是让人砍到一颗大树，并刻上“庞涓死于此树下”，又传令让1万弓箭手，埋伏于此，并命令看见火光之后，立即万箭齐发。
果不其然，傍晚时分，庞涓追到此处，因为看不清数上的字，就直接点燃火把，死于万箭齐发之下。
回国之后“孙膑”在自己风光无比节流勇退不顾齐王的挽留，决心归隐山林、还著作出了一本《孙膑兵法》流传于后世。