田忌与孙膑从容地率兵撤退，并派出许多探子，观察并随时报告魏军的行军动态。当探子告知孙膑魏军已过沙鹿山时，孙膑屈指计程，算出魏军天黑时必赶到马陵，而马陵地势险峻，在两山之间夹有一条窄道，窄道两旁杂木丛生，实在是打伏击战的绝好之地。
于是孙膑下令全军停止前进，砍伐树木，堵塞道路，设置魏军逃跑的障碍，又选择齐军中1万名善射的弓箭手埋伏于道路两侧的杂木中，命令这些弓箭手到夜里只要看见火把就一齐放箭，一举围歼追敌。孙膑还特意命士兵把路旁一棵大树的皮剥掉，在白色的树干上用黑煤书写了八个大字——“庞涓死于此树之下”。
果然如孙膑所料，庞涓所率骑兵于黄昏时分追到了马陵。庞涓隐约看见一树上砍白处有字迹，于是命兵士点火把照明，只见此树上清晰地写着“庞涓死于此树之下”八个大字，庞涓知道中计了，刚要下令退兵，齐军万名弓箭手一见火光立刻万箭齐发，喊声四起。魏军阵容大乱，被齐军四面围住，进退两难，死伤无数。庞涓自知厄运难逃，身中数箭，大叫一声“吾恨不杀此刖夫，遂成竖子之名！”说完拔剑自刎而死。齐军乘胜追击，大败魏军主力，歼灭10万魏军，并俘获魏军主将太子申。魏军轻重军器、车马粮草尽归于齐，齐军大获全胜。
这就是历史上著名的马陵之战。虽然魏国的实力要胜齐国一筹，但是齐军终在交战中重创了魏军。原因无他，就是齐国作战方针的正确和孙膑指挥技术的高明。军事家孙膑创造性地运用了孙武的“避实而击虚”“攻其所必救”“示形动敌”等作战指导思想，发展出减灶诱敌这一高明战术，诱使对手庞涓收到了虚假的齐军逃亡的信息。庞涓因此做出了错误的判断，导致了自己的惨败。