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就在孟子回到鲁国南边的邹国为父亲孟公宜守丧的时候，发生了一件对齐国和魏国具有决定意义的大事件。孟子此前曾委婉地批评梁惠王“好战”，但梁惠王好战的性格依然没有丝毫的改变，并对扩张领土依然情有独钟。梁惠王极度信任大将军庞涓，派其对邻国韩国进行攻伐。韩国向齐国求救，齐威王派出田忌为统帅、孙膑为军师的大军相助。
前文提到孙膑和庞涓是同学，但孙膑的水平是高于庞涓的。最后，孙膑用计谋将庞涓的军队彻底打败，庞涓战死，魏国随军的太子也被俘。这便是战国历史上最著名的马陵道之战，即民间家喻户晓的“孙庞斗智”的故事。
在《史记》中，司马迁比较具体地记述了马陵道之战的情景：
魏国联合赵国攻打韩国，韩国向齐国求救。齐国派田忌为将、孙膑为军师，率领大军救援韩国。孙膑谋划，复用桂陵之战“围魏救赵”之法，不去主战场而是直接奔魏国都城大梁而去。庞涓侦察到齐国大军直接奔魏国境内而去，便停止对韩国的进攻而率军回援魏国并追击齐军。
当齐军进入魏国境内后，孙膑见庞涓率领大军来追，便采用减灶的策略引诱。“使齐军入魏地为十万灶，明日为五万灶，又明日为三万灶。”
庞涓果然令下属去数齐军做饭的灶眼。当见到齐军灶眼在第三天只剩三分之一时，庞涓误以为齐军逃跑一半以上，便轻敌而率领几千轻骑兵紧急追击。孙膑算计庞涓将在当天晚上到达马陵道，此处地形复杂，山高路狭，适宜埋伏，便将当路的一棵大树的粗大树干在一丈多高处四面刮白并手书“庞涓死于此树之下”，然后令齐军的弓箭手在道旁埋伏。庞涓晚间到来时看到树干上的话很生气，然而此时齐军万箭齐发，导致魏军大乱且伤亡无数。最后，庞涓自知已经兵败，于是自刎而死。这样，齐军乘胜尽数打败魏军，并将魏国太子俘虏。
《史记·孙膑列传》云：“乃斫大树白而书之曰‘庞涓死于此树之下’。于是令齐军善射者万弩，夹道而伏，期曰‘暮见火举而俱发’。庞涓果夜至斫木下，见白书，乃钻火烛之。读其书未毕，齐军万弩俱发，魏军大乱相失。庞涓自知智穷兵败，乃自刭，曰：‘遂成竖子之名！’齐因乘胜尽破其军，虏魏太子申以归。孙膑以此名显天下，世传其兵法。”
最后一句明确说“世传其兵法”，但在清代中叶到近代的史学界有一种不同的说法，即孙膑没有兵法。他们认为，司马迁在《史记》里把孙武的《孙子兵法》误认为《孙膑兵法》了，因为在《汉书·艺文志》和《隋书·经籍志》中都没有此书的著录，表明在西汉末到隋朝期间并没有此书。不过，后来湖南长沙马王堆汉墓出土了一套较完整的《孙膑兵法》，书中便有“擒庞涓”一卷，而这有力地证明了《史记》记载的可信性。
这一仗之后，魏国便一蹶不振了。