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公元前344年，魏国发兵进攻韩国。韩国向齐国求援。齐威王听取孙膑的主张，答应救韩，但并没有马上出兵。待韩军五战五败、魏军实力同时受损之际，才于次年出兵。
第二年，齐军以田忌为主将、孙膑为军师，矛头直指与魏都大梁（今河南开封）近在咫尺的外黄（今河南民权）。
魏军本来胜利在望，却遇齐军搅局，魏惠王恼怒自不必说。于是，他决定从韩国撤军，腾出手来，教训齐国。魏惠王命太子申为上将，庞涓为将军，率领十万雄师，气势汹汹直扑齐军，准备决一雌雄，顺便洗刷十年前桂陵之战的耻辱。
齐军进入魏国纵深地带，魏军尾随而来。孙膑根据魏军蔑视齐军的实际情况，在认真研究了战场形势后，定下减灶诱敌、在马陵（今河北大名东南，一说今河南范县西南）设伏聚歼的作战计划。齐军入魏的第一天造了十万个灶火，第二天减到五万个，第三天减到三万个。自作聪明的庞涓看到齐军灶火锐减，误以为齐军胆怯、士卒大批逃亡，就舍弃步兵，只带领轻骑兵加快追击，企图速战速决。当他昼夜兼程赶到马陵的时候，才发现这里道路狭窄，道路两旁阻碍很多，实在难以通行。恰是傍晚时分，隐约看到一棵剥了皮的树干上写着字。点火把看时，却见赫然写着“庞涓死于此树之下”八个大字。庞涓猛然省悟，正想下令撤退。刹那间，齐军万弩齐发，魏军惊慌失措，四散溃逃。接着齐军伏兵两面夹攻，乘胜追击，十万魏军所剩无几。主帅太子申被俘。庞涓见败局已定，大声喊叫：“一着不慎，遂使竖子成名。”就拔剑自刎了。
马陵之战是中国战史上著名的伏击战例。齐国之所以获胜，主要是采用了孙膑“能而示之不能，用而示之不用”“以利动之，以卒待之”的虚实作战原则。孙膑不愧是著名的军事家。
魏国在桂陵之战和马陵之战连受重创，从而失去了与齐秦两国争霸的军事实力。