孙膑时刻派人打探庞涓的消息，回报说：“魏国军队已经过了沙鹿山，不分昼夜，兼程前进。” 孙膑屈指计算路程，傍晚必定到达马陵。那马陵道在两山中间，溪谷幽深狭窄，适合设伏。道路旁边树木茂密，孙膑只挑选了一棵特别粗大的树留下，其余的树都砍倒，横七竖八地堆在路上，阻塞道路。然后把那棵大树向东的树干砍白，用黑煤写上六个大字：“庞涓死此树下！” 上面还横着写了四个字：“军师孙示。” 命令部将袁达和独孤陈，各挑选五千名弓弩手，埋伏在左右两边，吩咐说：“只要看到树下有火光，就一起放箭。” 又命令田婴率领一万士兵，在离马陵三里的地方埋伏，只等魏国军队过去，就从后面截杀。安排妥当后，孙膑自己和田忌率领军队远远地驻扎，准备接应。
再说庞涓一路打听，得知齐国军队离得不远，恨不得一步追上，只顾催促行军。来到马陵道时，正好日落西山，当时是十月下旬，又没有月色。前军回报：“有砍倒的树木堵塞道路，难以前进。” 庞涓呵斥道：“这是齐国军队怕我们追击，所以设下这个计策。” 正想指挥士兵搬开木头开路，忽然抬头看见树上砍白的地方，隐隐约约有字迹，但天色昏暗看不清楚。他命令士兵取火照明。众士兵一起点起火来。庞涓在火光下看得清清楚楚，大惊说：“我中了被砍去双脚的孙膑的计了！” 急忙命令士兵：“赶快撤退！” 话还没说完，袁达和独孤陈两支伏兵，看到火光，万箭齐发。箭像暴雨一样射来，士兵大乱。庞涓身负重伤，料想无法逃脱，叹息说：“我恨自己没有杀了这个被砍去双脚的人，才成就了这小子的名声！” 于是抽出佩剑自刎而死。庞英也中箭身亡。被射死的士兵不计其数。史官有诗写道：
昔日伪书奸似鬼，今宵伏弩妙如神；
相交须是怀忠信，莫学庞涓自陨身！
从前庞涓下山时，鬼谷先生曾说：“你一定会因为欺骗别人的事，反过来被别人欺骗。” 庞涓用假书信的手段，欺骗孙膑并砍去他的双脚，如今也受到孙膑的欺骗，中了减灶之计。鬼谷先生还说：“遇马而瘁。” 庞涓果然死在马陵。算起来庞涓在魏国做官到身死，刚好十二年，正应了马兜铃花开十二朵的预兆。由此可见鬼谷先生的占卜，细微之处都能应验，神妙莫测。
当时太子申在后面的队伍，听说前军失利，慌忙扎营不敢前进。没想到田婴的军队，反而从后面杀来，魏国士兵心惊胆战，无人敢战，各自四散逃命。太子申势单力薄，被田婴生擒，绑在车里。田忌和孙膑率领大军前来接应，杀得魏国军队尸横遍野，各种兵器都被齐国缴获。田婴献上太子申立功，袁达和独孤陈献上庞涓父子的尸首立功。孙膑亲手砍下庞涓的头颅，挂在车头上。齐国军队大获全胜，凯旋而归。当晚太子申害怕受辱，也自刎而死。孙膑不禁叹息。
大军行进到沙鹿山，正好遇到庞葱率领的步兵，孙膑让人挑起庞涓的头颅给他们看，庞葱的步兵不战而溃。庞葱下车叩头请求饶命，田忌想一并杀了他。孙膑说：“作恶的只有庞涓一人，他的儿子都无罪，何况他的侄子呢？” 于是把太子申和庞英的尸体交给庞葱，让他回去告诉魏王：“赶紧上表朝贡，不然齐国军队再来，国家就保不住了。” 庞葱连连答应着离开了。（这是周显王二十八年发生的事。）
田忌等人班师回朝，齐宣王非常高兴，设宴犒劳，亲自为田忌、田婴、孙膑敬酒。相国驺忌，想到自己以前私下接受魏国贿赂，想要陷害田忌的事，心里不免愧疚，于是称病重，派人交还相印。齐宣王于是任命田忌为相国，田婴为将军，孙膑依旧担任军师，还加封了大的城邑。孙膑坚决推辞不接受。他亲手抄录祖父孙武的《兵书》十三篇，献给宣王说：“我作为一个受过刑罚的人，承蒙您破格任用，如今上能报答主上的恩情，下能报个人的仇怨，我的心愿已经满足了。我所学的都在这本书里，留下我也没什么用，希望能有一片闲山，作为我养老的地方！” 宣王留不住他，于是把石闾之山封给他。孙膑在山里住了一年多，一天晚上突然不见了，有人说鬼谷先生度他出世了。这是后话。武成王庙有《孙子赞》写道：
孙子知兵，翻为盗憎；刖足衔冤，坐筹运能。
救韩攻魏，雪耻扬灵；功成辞赏，遁迹藏名。
揆之祖武，何愧典型！
再说齐宣王把庞涓的头颅悬挂在国门示众，以彰显国威。派人向诸侯报捷，诸侯无不震惊恐惧。韩国和赵国的国君，尤其感激齐国的救兵之恩，亲自前来朝贺。宣王想和韩国、赵国合兵攻打魏国，魏惠王非常害怕，也派使者前来求和，并请求到齐国朝拜。齐宣王约请三晋的国君，一同在博望城相会，韩国、赵国、魏国没有敢违抗的。三位国君同时前来朝见，齐国在天下声名大噪。
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