孙膑得知庞涓傍晚就能到达马陵道。马陵道旁边有一处树林。孙膑吩咐把林中最大的一棵树留下，其余的全部砍倒，横七竖八塞进马陵道。又让军士把这棵大树的树皮扒下，露出白色树干，再用黑煤写上六个大字：“庞涓死此树下。”
下面落款：“军师，孙。”
命令部将袁达、独孤陈各选弓弩手五千，在大树左右埋伏，吩咐：“但看树下有火光，一齐发弩放箭！”
同时，命令田婴率兵一万，在距离马陵道三里处埋伏，等魏兵大乱时，从后面掩杀。吩咐完毕，孙膑与田忌带兵离开，到远处屯扎，准备接应。再说庞涓，一路打听，知道齐兵过去不远，恨不能一步赶上，只顾催促，等来到马陵道时，刚好日落。此时是十月下旬，没有月亮，前军军校来报：“有断木树枝塞住道路，不易前进。”
庞涓怒叱：“齐兵害怕我军追赶，故意塞断道路，速速挪开！”
军士下车搬开断木，拉开树枝。大部队暂时停下。庞涓乘车慢慢向前挪动，忽然看到路旁边一棵大树，树干漂白，慢慢接近，隐隐约约上面有字。前边清理路障，庞涓走下车来，向这棵大树走去。天色越来越黑，庞涓让军校点起火把。十几只火把点起，庞涓在火光的簇拥中来到这棵大树下，树上的字清清楚楚：“庞涓死此树下”。落款：军师，孙。庞涓大惊失色，惊呼道：“中废人奸计！”
天下他就害怕孙膑一人，从内心恐惧，一个是他能力比不上孙膑，另一个是内心深处的愧疚，害怕报复。庞涓一身冷汗，急忙命令军士：“快退！”
话音未落，两边齐军将领袁达、独孤陈两支伏兵，看到火光，万弩齐发，箭如骤雨，魏军大乱。庞涓身中数箭，知道无法逃脱，叹道：“后悔当初没杀掉那个废物，今日让他名扬天下。”
说完横剑自刎而死。庞英也中箭身亡，魏国军士被射死的，不计其数。当年庞涓下山时，鬼谷子先生曾说：“你必以欺人开始，以被人欺告终。”
庞涓伪造假信，害孙膑身残装疯，今天中了孙膑埋伏，鬼谷子先生真神人也。鬼谷子又说庞涓：“遇马而瘁。”
今日，果然死在马陵道。从庞涓到魏国再到现在中孙膑埋伏而死，总共十二年，正好应验了花开十二朵之数。此时，太子申在后队，得知庞涓前军中伏，慌忙命令军队屯扎住，没想到田婴一军后面杀到，魏兵心惊胆战，无心恋战，一触即溃，四散奔逃。太子申势孤力单，被田婴生擒，缚在车中，田忌和孙膑统领大军接应，杀得魏军尸横遍野，轻重军器、锣鼓帐篷散落满地。田婴带太子申献功，袁达、独孤陈带庞涓父子尸首献功，孙膑亲自斩下庞涓之头，挂在自己车上。齐军大胜。当夜太子申担心受辱，自刎而死。孙膑叹息不已。大军来到沙鹿山，正遇到庞葱步军，孙膑派人挑庞涓之头在军前展示，魏军不战而溃，庞葱下车叩头乞求饶命。田忌要杀掉庞葱，孙膑说：“为恶者只不过是庞涓一人，他儿子也没有罪，何况是他侄子？”
与田忌商议以后，把太子申和庞英二人尸首交给庞葱，让他回报魏王：“速向齐国上表朝贡，不然，齐兵到时，使魏国宗庙不存。”
庞葱喏喏连声退走。田忌、孙膑班师回国，齐宣王大喜，大摆宴席犒劳众将。相国驺(zōu)忌考虑到当年私受庞涓魏赂，陷害田忌的事，心中惭愧，称病不再上朝，派人交还相印。齐宣王拜田忌为相国，田婴为将军。孙膑仍然是军师，加封一座大城给孙膑。孙膑推辞不受，并亲自手书祖父孙武《兵书》十三篇，献给齐宣王说：“臣身为废人，承蒙大王不弃，接回齐国，重用我，使我的才能得到施展，现在战败魏国，除掉庞涓，我自己也报了仇，心愿已满。我的学问知识，都在这卷书中，留下臣也没有什么用了，希望大王增我闲山一片，作为我终老之地。”
齐宣王一再挽留，孙膑去意已决，便把石闾（lǘ）山封给孙膑。孙膑在石闾山住了不到一年，突然不见，有人说是鬼谷先生带他成仙而去。齐宣王把庞涓首级挂在都城大门之上，以振国威，派人向各国诸侯报捷，各国没有不害怕的，韩、赵二国国君更是感激齐王援救之恩，亲自前来朝贺。齐宣王与韩、赵两国商议，联兵伐魏，魏惠王恐惧万分，连忙派人向齐国朝贺归附。齐宣王约韩、赵、魏三君在博望城会盟，三国不敢不来。