经过几年的养精蓄锐后，魏国恢复了元气。公元前342年，魏国进攻实力远不如它的韩国。韩国自知不敌，便发书向齐国求援。

齐威王把握住韩、魏久战之后都已疲惫的时机，再次派田忌担任主将，田婴担任副将，孙膑担任军师来协调双方。齐军再次采用“围魏救赵”的策略，挥师大梁。庞涓只好再一次率兵回来救大梁。在他们到达大梁之前，齐军又见机撤退了。被这样戏弄，魏惠王和庞涓都非常恼怒。于是，魏惠王命太子申率领国中剩余部队前去接应庞涓，企图两面夹击，歼灭齐军。

这时，孙膑很有把握地对田忌、田婴说：“这次庞涓率军匆忙从韩国赶回来，抛弃辎重，星夜兼程，明显是决心一举消灭我军。可是急行作战，只有十分之一兵力能够先行到达，而且必定是兵马疲惫，装备不全。魏军这么做简直是自取灭亡啊。敌方如此急躁，我们可以再刺激他们一下：他们追赶，我们就撤退，继续制造我军不敢与之交战的假象。一边撤退一边再使点儿花招，就是日渐减少宿营处留下的军灶数量，这样敌人就会以此判断我军兵力逃散，实力越来越弱，以为我军不堪一击而不惜冒险加紧跟进。我们趁机在路上设下埋伏，打敌人个措手不及。”

田忌、田婴大赞此计有道理，于是进行了具体部署：先退兵去往位于鄄邑北面六十里处的马陵——那里地形复杂，有很茂密的树林，也有很深的沟谷，而且道路弯弯曲曲，很适合作埋伏之地。同时命人在退兵途中，第一天挖十万个灶，第二天挖五万个，第三天挖三万个。齐军到达马陵之后，利用那里的复杂地势，砍树堵路，又在道路两旁埋伏下一万多名弓弩手，只等魏军到来。

庞涓真的被减灶之计蒙骗了。他以为齐军士气涣散，退兵三天，大半兵力都已逃亡，于是加快了追赶齐军的步伐。魏军行至地势险要的马陵时，天已经黑了。前方的探子来向庞涓报告：“前方道路被许多大树堵住，无法前行。”庞涓急忙亲自去察看。只见道路中间横七竖八地躺着许多树将道路阻断了，只有前面不远处还立着一棵大树。庞涓举着火把走近大树去看，只见树上写着几个大字：“庞涓死于此树之下。”就在这时，埋伏的齐军万箭齐发。魏军前不能进，后不能退，一时乱成一团，无数士兵中箭而死。庞涓见状，知道自己已是身陷绝境，于是拔剑自刎了。齐军以排山倒海之势冲杀过来，后面赶到的太子申也被齐军俘虏了。

桂陵之战和马陵之战使魏国的军事实力大大削弱，魏国从此渐渐衰落下去，离霸主的地位越来越远。而齐国则因为打败强魏，声威大振，实力陡增。齐、秦两国取代魏国的地位，成为当时最强的诸侯国。