与魏国交战，孙膑还施展了“退兵减灶”的计谋。庞涓在桂陵惨败后，只身逃回魏国，但魏惠王仍然信任他。经过几年休整之后，又逐渐展开对邻国的进攻。公元前342年，魏惠王派庞涓为帅统兵大举进攻韩国，韩国抵挡不住向齐国求救。齐惠王任命田忌、田婴为主、副将，孙膑为军师率军去韩救援。根据孙膑的建议，齐军仍不与魏军正面接触，而挥军直指大粱进人魏国境内。庞涓接讯后，即令魏军从韩国撤回。同时，魏惠王派太子申率领留在国内的军队，与庞涓合兵十万追击齐军。面对强大的魏军，孙膑采取诱敌深入、“退兵减灶”的策略。
第一天，庞涓派人查看齐军宿营地的军灶数目可供十万人吃饭，第二天把灶减少了一半，第三天把灶减少到只供三万人吃饭。第二天把灶减少了一半，第三天把灶减少到只供三万人吃饭。庞涓果然中计，丢下步兵和辎重，亲带一支轻骑部队，夜以继日地追赶齐军。孙膑计算着魏军的行程，埋伏在地势险要的马陵道，并挑选万名弓箭手埋伏在马陵道两侧山上，命令他们见到火光就放箭。日暮时分，庞涓率部果然追到马陵。庞涓亲自查看地形，见前面大树上隐隐约约有字，令部下点起火把来看，见写有“庞涓死于此树下”几个大字，方知中计，急令部下撤退。此时，山上的弓箭手朝火光处万箭齐发，魏军顿时大乱，死的死，伤的伤，庞涓也中箭，左冲右突也未能突出重围，被迫自杀身亡。齐军消灭了魏军轻骑后，立刻乘胜反击，全歼了魏国十万大军，活捉魏军统帅太子申。
马陵之战后，魏国又败于秦国，魏惠王采纳国相惠施的谏言，同齐国修好，尊齐威王为主。此后，齐国代替魏国称霸中原。孙膑胜庞涓的兵法，也为后世军事家所效法。
