赵成侯大慌，遂使人向齐国求救，许诺魏兵若退，将以中山之地相让。
齐威王当即答应，遣来使回报成侯，然后派将发兵。因知孙膑之能，欲拜为大将。
孙膑复以前言为辞，请以田忌为将，己为军师。威王从其所请，乃用田忌为将，使孙膑坐居辎车之中，阴为画策，不显其名。
田忌奉命出兵，欲直扑邯郸，以解其围。
孙膑献计：赵将丕选并非庞涓之敌，我至邯郸，其城已下。不如驻兵中道，设伏桂陵，却使人扬言欲伐平陵。庞涓闻而必还，则邯郸之围自解。我待彼还而击，无有不胜！
田忌大喜，依计而行。
赵将丕选等候救兵不至，果不能支，便以邯郸全城降魏。庞涓欣喜若狂，一面遣人向魏王报捷，一面打点进兵，欲图深入卫国。便在此时，忽然细作来报。
斥侯：禀上将军，今有齐王助赵，遣田忌为将，乘虚来袭平陵。
庞涓闻报大惊，继而笑道：平陵城池虽小，但是东阳战略要地，人口众多，兵力强大，易守难攻；且平陵南为宋国，北为卫国，我若回军断其市丘粮道，则齐军片甲不能回矣。田忌不善兵法，齐侯却使其为将，今必为我所擒也。
于是便罢攻卫，留一半人马驻守邯郸，自引另一半军班师疾奔，还救平陵。
齐军接陵，孙膑复向田忌建议：檄令临淄、高唐两城大夫，各率本部军佯攻平陵，以吸引魏军主力。若庞涓率其主力来救平陵，却再用计。
田忌无有不从，遂传檄临淄、高唐守军，东西两路并进，往袭平陵。
平陵受攻，守将大惧，复遣使向大将军庞涓告急。庞涓担心平陵有失，于是下令辎重在后，只率轻骑主力，全力兼程以赴。经过一昼夜急行，魏师终至平陵城下，只用三个回合，便将临淄、高唐两路齐军击溃，毫不费力。
但经此一战，再兼日夜行军，魏军此时已近强弩之末，其势已衰。
齐军败回，来向主将请罪。孙膑笑而释之，对田忌道：今可分军两路，一路派偏佐率轻装战车，直捣魏都大梁，激怒庞涓，迫其率军回援；一路须以将军亲自率领，于路不停截击骚扰，佯装与庞涓交战。必故作示弱，许败不许胜，以使其轻敌，连续追击不止。下臣却领主力大军，在桂陵列阵设伏以待。如此以来，以逸待劳，必能一举擒获庞涓。
田忌大喜，欣然依计而行。
庞涓击败齐军，救解平陵之危，得意非常，下令打扫战场，设宴为诸将庆功。酒席宴间，对子侄及众将笑道：我谓此城易守难攻，齐兵不堪一击，今观如何？
众将几乎脱力，强打精神：将军用兵如神，真不愧鬼谷门徒，当世更无匹敌。
庞涓大笑，乃命城中造饭传餐，休兵三日，然后一举歼灭齐军。不料其饭刚熟，未到众军口中，忽探马来报：齐军放弃平陵，复移兵大梁，去袭我都城！
庞涓大怒：田忌不善战阵，倒如此惫赖！
于是下令迅速就食，取消休整；重新披甲，再登战车，随后追击齐军。魏军喘息未定，叫苦不迭；当不得军令如山，便向大梁方向疾进，前行五十里，将近天晚。
忽听鼓声震天，一支车兵转出山角，拦住去路，为首者正是齐相田忌。
庞涓先吃一惊，因见齐兵少而不整，随即笑道：我固知田忌无能，必不是我敌手。
遂命族子庞葱，上前厮杀。
田忌挥令出击，齐兵却甚不经打，一战而败，回身便走。
庞涓下令追击，庞葱谏道：齐军未疲而败，又败而不溃，诚恐有计，叔父不可深入。必要追击，侄儿在前，叔父殿后可也。
庞涓笑道：未料我侄带兵未久，亦颇谙兵法之道耶？此等惫弱之师，便有伏兵，又能奈我何？休要多言，以错失战机！
遂不听庞葱之劝，身先士卒，挥军追之。
前奔二十余里，遂入桂陵道谷。只听号角长鸣，伏兵大起，魏师深陷齐军包围之中。
庞涓虽见陷入重围，仗恃自己通晓诸阵兵法，倒也不慌，乃下战车，登高观看地形。
忽见齐军所摆阵势，不由大惊失色，半晌作声不得。
庞葱：齐军虽众，乃是我手下败将，叔父何必失惊如此？
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庞涓：你却不知，我非惊其军，是惊其阵也。田忌所布，乃是我师门颠倒八门阵法。某在大梁与孙膑斗阵之时，尚且不识此阵，田忌却从何处学来？
由是心疑，唉声叹气，信心灭却大半。
庞葱：孙膑已死，鬼谷仙师终生不出，叔父又惧何人哉！此必是墨子老儿，因与鬼谷仙师乃是多年故友，自然熟知此阵。侄闻其在齐国之时，常借居田忌家中，必是以此阵授予田忌。此阵乃是鬼谷门不传之秘，且变化无常；今徒具其形，不知其变，又有何用？
庞涓闻此，深以为然，胆气复壮。当下便挥令旗，亦命魏军布队成列；又唤庞英、庞葱、庞茅近前，吩咐破阵之法，皆当初斗阵时孙膑于竹简上所。吩咐已毕，便令擂鼓进攻。
三将领命，下坡登车，依法交锋。才入阵中，只见八方旗色，纷纷转换，更认不出各门所在，哪一门是休、生、伤、杜、景、死、惊、开。只见四下里戈甲如林，并无出路。
冲突半日，三将力竭，只办得招架之力，更无还手之功。正激战间，只听一声大叫，庞茅中矢落于车下，转眼被战车辗为肉泥。庞英、庞葱大慌，只恨上天无路，入地无门。
正慌悚间，忽见一车冲入，便如劈波斩浪，入内救出二将，抬眼视之，正是主帅庞涓。于是魏军大溃，大都弃车而逃，漫山遍野，处处都是散卒。
庞涓父子叔侄三个仓惶逃窜，直奔到齐西聊城堂邑，这才停住脚步。沿途收集败散人马，见损折大军二万余人，遭遇前所未有大败，不由甚是伤感。
桂陵道口一战，齐军全胜，由此军威大振。田忌命令就地扎营，打扫战场，收聚辎重，歇兵三日，然后还师。当夜就中军帐中大宴众将，请军师孙膑坐于上首，列为头功。
齐国众将个个眉飞色舞，皆都上前向军师敬酒，无不钦服。
酒过三巡，田忌问道：先生何以预知庞涓必入桂陵，败于此地？
孙膑笑道：此事易知。依我师门鬼谷子兵法，解杂乱纷纠者不控卷，救斗者不搏撠，批亢捣虚，形格势禁，则自为解耳。
田忌及诸将闻罢，皆都赞叹不已。