由于韩国带头抵制逢泽之会，魏国便把进攻的矛头指向了韩国。公元前342年，魏国与赵国联合在一起攻打韩国，韩国求救于齐。齐威王接受了孙膑的建议，一方面向韩国表示出兵救援，以便让韩国坚守都城，与魏军死战；另一方面又不急于出兵，以便消耗魏军的战斗力。直到公元前341年，这时，韩国与魏军都已经打得筋疲力尽，齐威王便派田忌、田婴为将，孙膑为军师，带领军队救援韩国。这一次，仍然是用当年围魏救赵的策略引军攻打魏国。魏将庞涓又从前线撤兵回国救援。
孙膑向田忌建议道：“三晋的士卒素来悍勇善战，轻视齐国的军队，齐国的军队素来被认为怯弱。然而，善战的人都是因势利导，兵法上说，为了获得利益，行军百里，一定会损失上将，行军五十里，只有一半的军队可以到达。”于是，在齐国的军队进入魏国以后，孙膑下令军中第一天挖了十万个灶，第二天只挖了五万个灶，在第三天宿营的时候，只挖了三万个灶。魏军将领庞涓跟在齐军的后面，派人察看了齐军的营地以后，喜出望外地说：“我早就知道齐国的士兵怕死不敢战斗，刚刚进入我国境内三日，逃亡的士兵已经过半了。”于是，庞涓下令丢下步兵不用，只带精锐骑兵日夜兼程追击齐军。
孙膑根据魏军的行程，估计他们在黄昏的时候将会到达马陵（今山东范县西南）。马陵道路狭窄难行，孙膑便让人把一棵树的树皮刮掉，在上面写上“庞涓死于此树之下”，让一万多善于射箭的士兵埋伏在道路两旁。夜色降临的时候，庞涓带领军队来到马陵，发现树上被刮掉树皮之处写有文字，但又看不清楚，便让士卒点起火把上前观看，就在这时，齐国万弩齐发，魏军大乱，庞涓自知败势已定，自刎而死。齐国乘胜进击，大破魏军，俘获魏太子申。
马陵之战是魏国自入战国以来从未有过的大败，魏国因此也大伤元气。公元前340年，魏国派公子印与秦国商鞅交战，结果被商鞅用计俘获。到了公元前338年，秦国又进攻魏国的岸门（今山西河津南），俘获魏将魏错。从此以后，在秦、齐两个大国的强大压力下，魏国停止了向外的扩张活动。
