出兵前，田忌与孙膑一起研究作战方针。田忌认为应该率军北上直趋邯郸，与魏军决一死战，以解赵围。孙膑不赞成这种打法，他审时度势，提出了一个“批亢捣虚”、“围魏救赵”的作战策略。他对田忌说：“目前的形势犹如丝线夹缠成一堆，如要解开，万万不能用力乱扯。人家打架，你想拔刀相助，但不能不弄清情势就挥拳加入殴斗。如今魏国把全部兵力投入了这场战争，国内只留下了一些不堪一击的老弱病残之兵。如果我国趁虚率兵攻向魏都大梁，占据它的交通要道，袭击它空虚的后方，那么魏军主力必然要放弃攻打邯郸而回师自救。这样，既可解邯郸之围，达到救赵的目的，又可在魏军长途跋涉、疲于奔命之际，抓住时机，狠狠打击魏军，这不是一举两得吗？”田忌听罢，心中大喜，立即采纳了孙膑的计谋，率领齐军杀往大梁。庞涓竭尽全力，在付出了巨大代价之后，终于于周显王十六年（前353年）攻克了赵国都城邯郸。就在庞涓陶醉于胜利之时，魏惠王派人告急，说齐军以轻锐之师进逼大梁，命庞涓火速班师自救。大梁乃魏国政治、经济和文化的中心，其得失关系魏国的存亡。庞涓刚刚拿下邯郸正在得意忘形，忽闻齐军兵临大梁，真是又气又急，顾不得休整军队，更顾不得将士们的疲惫和损伤，日夜兼程，回救大梁。庞涓放弃了随军辎重，昼夜不停地急行军，赶回来与齐军决战。但他万万没有料到，攻击大梁的齐军仅仅是齐军的一部分，其主力早已在桂陵（今山东菏泽东北）埋伏妥当，以逸待劳，只等魏军钻进口袋。当庞涓匆匆渡过黄河，刚刚走到桂陵时，战斗力相当旺盛的齐军便潮水般地从四面涌过来，直杀得魏军丢盔卸甲，四处逃散，几乎全军覆灭，庞涓只带了少数残兵败将逃出重围。这就是历史上著名的“桂陵之战”。这次战争的胜利，充分显示了孙膑出色的军事智谋和才干。孙膑所制定的围魏救赵的战略，成为中国古代战争史上的一个著名的战例。“桂陵之战”后，魏惠王被迫讲和，把邯郸归还赵国，赵国也因齐军的援救而复存。
孙膑不仅是一位出色的军事家，更是一位出色的政治家。他一生坎坷，遭奸人暗算致残，却身残志坚。无论是指导田忌赛马还是指挥桂陵和马陵之战，都显示了他卓越的军事才能。在战略上他能正确地选择作战时间和空间，在战术上善于因势利导，制造假象，用围魏救赵、批亢捣虚、减灶示敌等谋略使敌产生错误判断而自动就范，在中国战争史上写下了光辉的篇章。特别是其创造的“围魏救赵”的战法，为历代兵家所借鉴。作为一名杰出的政治家，他能从全局的角度看问题，把作战胜利与富国强兵联系在一起，在军事和政治的关系问题上发展了孙武的思想。他既重仁义忠信、德行民心，又主张信赏必罚，以战止争，靠综合国力“战胜而强立”；其思想具刚柔、兼儒法，对治国治军者制定政策有着重要的指导价值。