孙膑历经磨难终回归故土齐国，受到了田忌的热情接待。田忌以其宾客之礼对待孙膑，孙膑在其府中得以安心休养。有一次，齐国君臣间的赛马活动，田忌屡次因马匹质量不如齐王而落败。孙膑观察赛马规则后，提出调换马匹出场顺序的策略，结果田忌按照孙膑的建议参赛，一举赢得了两场胜利，令齐王大感意外。此事虽小，却充分展示了孙膑的智谋和策略眼光，田忌更加佩服孙膑，适时向齐王举荐了他。
齐王召见孙膑后，见识到孙膑卓越的谈吐与深刻的战略见解，确认孙膑确为难得的奇才，从此对孙膑以“先生”尊称，并给予了极高的礼遇。
在孙膑逃脱庞涓的魔爪之后，庞涓仍然执掌着魏国的军权，不断寻求通过战争建功立业以提升自己的威望。公元前354年，庞涓率领八万魏军大军猛烈攻击赵国，围困了赵国首都邯郸，赵国紧急向齐国求助。齐王了解孙膑卓越的军事才能，本欲任命他为领军将领前往救援，但孙膑考虑到自己身体上的残障，推辞了将军之职，建议由田忌担任主将，而自己将以军师的身份辅助田忌出征。
田忌原本打算直接率大军奔赴邯郸，与魏军正面决战以解赵国之围。孙膑则分析指出魏军精锐现正全力围攻邯郸，魏国内部必然兵力空虚，他建议田忌转而攻击魏国的都城大梁，这样一来魏军必定被迫回援，不仅能解除赵国的压力，还能利用长途跋涉的魏军疲敝之机，以齐军的逸待劳之势击败魏军。田忌欣然采纳孙膑的计策，率齐军直逼大梁。
正如孙膑所预料，当大梁遭到齐军威胁时，庞涓不得不放弃围攻邯郸，急急忙忙率军回援，结果在桂陵地区落入齐军的伏击圈。魏军因急行军而导致士兵疲惫不堪，面对齐军的攻击溃不成军，庞涓本人也在战斗中被俘。在魏国请求和解的情况下，孙膑释放了庞涓，但此次战败对庞涓来说无疑是一次沉重打击，这也成为了历史上着名的“围魏救赵”战役。
多年后，庞涓再度联同赵国攻打韩国。韩国难以抵抗两国联手进攻，遂向齐国求援。齐国内部对于是否救援韩国存在分歧，齐王询问孙膑的意见，孙膑提出了兼顾双方意见的策略：先口头允诺援助韩国，使其奋力抵抗，待魏、韩两军筋疲力尽时，齐军再介入战场，轻松打击疲惫的魏军并解救韩国。齐王采纳了孙膑的策略，在魏韩激战一年后，再次任命田忌为主将，孙膑为军师，率军救援韩国。
孙膑运用类似的战略，再次率军直捣魏国的心脏——大梁。庞涓闻讯匆忙撤离前线回国保卫国都。孙膑预见庞涓会因急于求战而中计，于是命令齐军做出退却的姿态，并逐日减少炊事灶的数量，营造出齐军畏战而逃的假象。
庞涓率领魏军紧随其后，根据沿途所见的灶数判断齐军正在迅速瓦解，于是加快速度追赶。殊不知这正中孙膑下怀。孙膑精确计算了庞涓部队的行军路线和速度，预计他们会于夜晚到达马陵这个地方。马陵是一段狭窄险峻的通道，两侧山峦叠嶂，树林茂密，极为适合设伏。
孙膑预先下令清理道路，布置障碍，并挑选了一棵大树，刮去树皮，刻下“庞涓死于此树之下”的字样。同时，他还安排弓箭手埋伏在马陵道两侧，只要点亮火光照射到那棵树的文字，立即万箭齐发。
夜幕降临，庞涓率领的魏军骑兵队伍果然进入马陵道，发现前方道路受阻。庞涓亲自查看路况，注意到那棵带有神秘文字的大树，命人点燃火把照亮。当庞涓看清树干上的刻字时，立刻意识到陷入伏击，但此时魏军已被齐军包围，已来不及下达撤退命令。刹那间，齐军弓箭手万箭齐发，魏军瞬间陷入混乱。庞涓深知败局已定，无法挽回，绝望之下选择了挥剑自刎。
齐军乘势发动总攻，彻底击溃魏军，俘虏了魏国太子申并带回齐国。孙膑在这场马陵之战中再次展现其出色的智谋和战术，不仅彻底击败了庞涓，也使得自己名声大噪，成为了战国时期杰出的军事家之一。
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