入齐后孙膑得到淳于髡的引荐，受到齐国大将田忌的赏识。在田忌门下担任门客期间，孙膑以卓越的智慧为田忌出谋划策。在一次赛马比赛中，孙膑巧妙调换马匹出场顺序，使田忌以两胜一败的战绩赢得齐威王的千金赌注。孙膑因此声名鹊起，田忌趁机将他推荐给齐威王。齐威王对孙膑的军事才能极为赞赏，拜他为师，虚心请教兵法之道。
公元前354年，魏国以庞涓为主将，率领大军围攻赵国都城邯郸，赵国求救于齐、楚两国。齐威王派遣田忌孙膑前往救援，抵达边境之地。田忌欲与魏军主力正面交锋，然而孙膑却认为此举将导致两败俱伤。他推断魏国举兵攻赵，国内兵力必然空虚。若此时攻打魏国都城大梁，庞涓必将撤军回援，赵国之危自然解除。
田忌采纳了孙膑的计策，一路轻装上阵，直逼大梁。同时另一路齐军佯攻魏国平陵，以迷惑敌人。孙膑此计让庞涓误判齐军主将无能，庞涓果然中计，率领魏军主力直扑齐军而来。
然而在此时齐军已经抵达大梁城郊，得知齐军动向的庞涓急忙率军回援。而孙膑命令少数齐军假装应战，且战且退。庞涓误以为齐军怯战，便命令魏军轻装骑行，昼夜兼程回援大梁。孙膑则率领齐军主力，在庞涓回城必经之路桂陵设下埋伏，一举擒获庞涓。这便是历史上著名的"桂陵之战"。
