孙膑的军事才能不久就被齐王发现了。当时，齐威王常常与王公贵族们用比赛驾驶马车赌输赢。田忌过去比赛，常因马的足力略差一点而告输。孙膑观察了这种比赛之后，发现马的足力可分为上、中、下三等，每等之间相差也并不悬殊。有一次，孙膑对田忌说：“你可以下大赌注，我自有办法让您获胜。”田忌很佩服孙膑过人的才智，便按照孙膑的意见同齐威王与贵族们下了千金的赌注。

等到比赛开始之前，孙膑告诉田忌：“你先用你的下等马同他们的上等马比赛，再用你的上等马同他们的中等马比赛，最后用你的中等马同他们的下等马比赛。”三场赛毕，两胜一负，终于赢得齐王的千两黄金。田忌因此把孙膑推荐给齐威王。齐威王在向孙膑讨教兵法中深感孙膑在军事上有过人之处，当下拜他为将军。孙膑赛马的故事，从此成了军事谋略学最原始最生动的事例。

桂陵之战

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。围魏救赵的成功经验从此被中国历代兵家所借鉴，在中国战争史上占据了重要地位。

马陵之战

桂陵战后的十三年(前341年，齐威王十六年)，魏国联合赵国攻打韩国，韩国向齐国告急。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。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。孙膑向田忌建议：利用三晋士兵向来骠悍骁勇，轻视齐国，认为齐军胆小怯懦的心理，示之以弱，诱敌追击，然后乘隙予以致命打击。孙膑还具体提出了诱敌的方法：就是在与魏军接触后就假装败退，退却中第一天挖10万个炉灶，第二天减少到5万，第三天减少为3万个，让魏军误认为齐军每天有大量士兵逃亡，战斗力迅速减弱，而不顾一切地来追赶。果然，庞涓见齐军炉灶天天减少，得意忘形地说：“我原来就知道齐军胆小怯懦，进入我国境内才3天，士兵就逃走过半了!”于是丢下步军，只率一部分轻装精锐部队，兼程追赶。孙膑估计庞涓的行军速度，天黑当可赶到马陵(今汉南范县西南)，而马陵道路狭窄，旁多险阻，可埋伏兵马。就命令削去大树的树皮，在露出的白头木头上写上：“庞涓死在此树之下。”然后命令齐军善射者一万人，手执强弩，埋伏在道路两旁，约定说：“夜里见到火光亮起来就万箭齐发。”庞涓果然夜晚来到大树下，见白色木头上写了字，钻火照看，还没来得及读完树上的字，齐军已万箭齐发，魏军大乱，彼此无法相顾。庞涓这才意识到中了孙膑的计策，已经智穷兵败。但他还不服气，在自刎之前慨叹：“遂成竖子之名！”(《史记·孙子吴起列传》)齐军乘胜攻击，全歼10万魏军，俘虏了魏国太子申，凯旋而归。孙膑也由于其卓越的军事才能而闻名天下。魏国从此一蹶不振，马陵之战后，齐国将相之间发生矛盾。不久，与孙膑关系密切的田忌遭到邹忌的诬陷，被迫流亡到楚国。孙膑也从此离开政治舞台，过起隐居的生活。后来，他和弟子们继续钻研兵法，并著书立说，给后世留下了一部不朽的杰作——《孙膑兵法》