孙膑见到那些马的脚力相差都不太远，便对田忌说：“下次比赛，将军只管下重金和他们赌输赢，在下有办法让将军取胜。”田忌疑惑地看看孙膑说：“你的意思是给我换几匹好马吗？”孙膑摇头说：“不是。”田忌知道孙膑足智多谋，看着他胸有成竹的样子，就没再多问。
等下次比赛时，田忌果然跟齐王和其他的贵族子弟押下了千金的赌注。比赛开始时，孙膑说：“现在用您的下等马对付他们的上等马，拿您的上等马对付他们的中等马，用您的中等马对付他们的下等马。”三个等级的马轮流比赛以后，结果田忌一次失败，两次获胜，终于赢得了齐王的千金赌注。这下，齐威王目瞪口呆，只好眼睁睁地看着田忌得意地拿走了自己的千两黄金。齐王很惊异，便询问田忌其中反败为胜的原委。田忌便如实地告诉了他，并借机将孙膑推荐给了齐王。齐王通过跟孙膑交谈，对他的军事才能甚是佩服，当下便拜孙膑为齐国的军师。
围魏救赵
后来魏国与赵国在扩张的方向上发生冲突，双方互不相让，打了起来。魏军在庞涓的带领下，势如破竹，一路攻城拔寨，打到了赵国都城邯郸，一围就是三年。在危急时刻，赵王向派人向齐国求救。
齐威王觉得双方都筋疲力尽了，可以趁火打劫一番，正所谓鹬蚌相争，渔翁得利。于是就想让孙膑做统帅领兵救援赵国，孙膑推辞说：“臣是受过刑罚而侥幸活命的人，不宜做统帅。”于是就用田忌做统帅，田忌是国君的亲戚，出身好，大家服气，改任孙膑为军师，坐在黑咕隆咚的斗篷车里，专门替田忌出谋划策。
田忌原想带领军队径直前往赵国与魏国交战，解救赵国，孙膑却说：“凡要解开错综纠缠、杂乱无序的绳索之类的东西，一定要冷静地找到它的结合部，慢慢去解才行，切忌不能握紧拳头盲目地用劲；劝解打架斗殴的人，就不能插手搏斗、击刺，那只会添乱，只要找到一处虚弱的地方，避实击虚，便会一击而成，斗殴的形势也会随之改观，干戈就会自行消解，互殴就会停止。如今魏国攻打赵国，轻锐精兵必定在国外冲锋陷阵，而老弱残兵必定在国内进行防守，但是疲惫孱弱，一定不堪一击。您不如带领军队急奔魏国都城大梁，占领它的交通要道，攻击它空虚薄弱的地方。这样一来，魏国必定会舍弃赵国，而班师回国拯救自己。这样，我们便会一举两得，既解除了赵国的围困，又使魏国遭受挫败。”田忌听从了他的建议，率军突进魏境。这时庞涓正在中原以北的邯郸拼命攻城，听说魏国大梁出现齐军，庞涓心神不定，但他偏不肯撤军回大梁。而是硬着头皮，又在邯郸打了两个月，打到秋天，庄稼都黄了，终于不负众望，占领了这座已变为废墟的城市。之后才匆忙撤离了邯郸，回师救援，跟齐国军队在桂陵（今河南长垣）交战，以逸待劳的齐军大败仓皇后撤的魏军。
智胜庞涓
十三年后，魏惠王又派庞涓联合赵国引兵伐韩，包围韩国都城新郑（今属河南省）。韩昭侯求救于齐。齐以田忌、田婴、田盼为将，孙膑为军师，率军经曲阜、亢父（今山东济宁），由定陶进入魏境，矛头直指与大梁近在咫尺的外黄（今河南民权）。魏国将领庞涓听到了消息，害怕重蹈覆辙，便迅速离开韩国赶回魏国，齐国军队已经越过边境并向西挺进了。魏惠王深恨齐国一再破坏魏国的好事，于是倾全国之兵迎击齐军，仍以庞涓为将，太子申为上将军，随军参与指挥，誓与齐军决一死战。后来太子申想撤兵，维持平局，但庞涓贪功心切，必欲歼灭齐军，以雪前耻。
孙膑采用欲擒故纵之计，引诱庞涓上钩。对田忌说：“魏国的士兵，向来强悍勇敢，轻视齐国的士兵，并嘲笑齐国士兵为胆小表。善于作战的人应利用这种形势，使之向有利于自己的方面转化。兵法说：行军百里去争夺利益的，会使主帅一蹶不振，行军五十里去争夺利益的，全军只有一半人能到目的地。将军可下令，命我军进入魏国境内后，建造供十万人食用的炉灶，第二天再建造供五万人食用的炉灶，到第三天时就建造供三万人食用的炉灶就行。”