孙膑是战国中期齐国人，兵圣孙武的后人，他少时孤苦，四岁丧母，九岁丧父，他年长后拜鬼谷子为师，学习兵法。和孙膑一起学习兵法的还有一个师弟，名叫庞涓。庞涓很聪明，学业也很好，可是他的天分没有孙膑高，因此总是比孙膑略逊一筹。孙膑不但悟性很高，而且坦荡仁义。鬼谷子见他在军事方面有极高的天分，品德又好，就单独把孙武的《兵法十三篇》传授给了他，孙膑只用三天就把十三篇熟记于心，把书还给了师傅。拜师学艺期间，孙膑、庞涓二人感情很好。可庞涓心胸狭窄，为人奸诈，但他善于伪装，表面上对孙膑很好，其实非常嫉妒孙膑。孙膑心地善良，对庞涓以诚相待，一直把他当成好兄弟。
孙膑、庞涓跟随鬼谷子学艺几年后，兵法、韬略大有长进。这时，魏惠王效仿秦孝公，用重金招贤纳士。庞涓本来就是魏国人，贪图名利，不愿在深山里继续受苦，因此虽然学业未完，仍决定下山。孙膑送他下山，临别时，庞涓向孙膑保证，日后自己受到重用，一定会向魏王举荐他。孙膑很感动，两人就此告别。
庞涓到了魏国，想尽办法终于见到魏惠王。他倾尽所学，滔滔不绝地讲述了一番治国安邦、统兵打仗的策略，并称自己可以使魏国兼并其他六国。魏惠王听言很是高兴，任命他为元帅，执掌魏国兵权。庞涓虽及不上孙膑，但也的确是有本事的。他指挥魏军与周围的各小国开战，连连战胜，使宋、鲁、卫、郑等国臣服于魏。很快庞涓被封为上将军，成为魏国举国闻名的人物，魏惠王对他更是信任有加。
庞涓享受着春风得意的日子，同时心里一直有个隐忧，那就是孙膑。他深知说到用兵，自己的才能远不及孙膑，孙膑一旦出山，就会对自己的地位构成严重的威胁，可是他也曾向孙膑许诺要把他举荐给魏惠王。正在庞涓寝食不安，不知该怎么办时，魏惠王已从墨子那里了解到了孙膑的才能，让庞涓写信请孙膑出山。原来，墨子和鬼谷子是好朋友，他去探望鬼谷子时，发现孙膑才华出众，就向魏惠王推荐了他。事已至此，庞涓只好照办。
孙膑接到庞涓的信，很是感激，便辞别师傅，下山来到魏国。庞涓表面上笑脸相迎，心里却非常不高兴。很快魏惠王见到孙膑，对他十分敬重，想任命他为副军师，和庞涓一起执掌兵权。这使庞涓心里暗暗嫉妒，他最不想和孙膑一起，于是就说让孙膑担任副职，在自己之下，是委屈了他的才能，建议魏王让他先当客卿。客卿是一种空享较高礼遇，并无实际权力的职位。魏王也不想怠慢了孙膑，就采纳了庞涓的建议，还很赞赏庞涓的为人。
庞涓担心孙膑的军事才能一旦展露，就会超过自己，便暗地里密谋除掉他。后来，在与孙膑闲谈中，庞涓得知孙膑和齐国的亲戚失去联系很久，便心生一计。于是他找人假扮齐国人来见孙膑，说是他的堂兄给他送来一封信，信中请孙膑回齐国，为齐国效力。孙膑自知身在魏国，便回信婉言谢绝了。庞涓更改了信的内容，制造孙膑暗通齐国的假象，然后把信拿给魏王。魏王勃然大怒，宣布孙膑私通齐国，将他抓捕，并施以膑足、黥脸之刑，即挖去膝盖骨，在脸上刻字。
庞涓把孙膑接回住所，暗地里派人监视，并请他把《孙子兵法》默写下来。孙膑感其不弃之恩，夜以继日地抄写。后来，照顾孙膑的仆人听说庞涓打算等孙膑写完兵书就饿死他，把这个消息告诉了孙膑。孙膑这才恍然大悟，回想过去种种，意识到正是这个自己当成兄弟的人的加害，自己才落得这个下场，他心里又痛又恨，心想要想报仇就一定要先摆脱庞涓的控制，于是心生一计。
第二天，孙膑又开始默写兵书，写着写着，突然两眼翻白、四肢乱颤，不一会儿就昏倒在地。醒过来后，他就又叫又闹，时哭时笑，还无端地发怒，抓起写好的兵书扔进了火盆里，自己也扑了过去。人们大惊失色，赶紧把他救起，并向庞涓禀报说孙膑疯了。
庞涓闻听奏报，便赶去孙膑的住处，亲眼看到他疯疯癫癫的，还是不肯相信他疯了。于是，庞涓下令把孙膑放到猪圈里，孙膑披头散发，在猪圈的泥水里摸爬滚打，弄得全身都是猪粪，却还是一会儿哭，一会儿笑。有人给他送来饭食，他一把将饭食打翻，反而抓起猪粪放到了嘴里。这时，庞涓才有些相信孙膑是疯了。但他生性多疑，仍派人监视孙膑的举动，得知孙膑满身污秽地到处乱爬，不管是马棚还是猪圈，困了就睡在那里。终于，庞涓相信孙膑是真的疯了，便渐渐放松了对他的监视。
孙膑一边装疯，一边寻找脱身的机会。当初是墨子向魏王举荐孙膑的，孙膑落得如此境遇，墨子知道他很冤枉，也知道孙膑是装疯避祸。他把孙膑的处境告诉了齐国的大将田忌，并盛赞孙膑的才能和智谋。于是，田忌派使者到魏国去营救孙膑。
一天晚上，使者偷偷拜访孙膑，趁着天黑用假孙膑把真孙膑换了出来，藏在自己的车子里，然后快马加鞭，赶紧离开了魏国。等到庞涓发现孙膑逃走时，孙膑已经回到了齐国。孙膑回到自己的母国，见到大将田忌。田忌非常爱惜孙膑之才，就将他留在自己的府中，以上宾之礼待他。
齐国君臣常以赛马赌输赢作为娱乐，比赛时将马分为上、中、下三等，分三场对等竞赛，赢得场数多的为胜。田忌的马没有齐王的马好，因此常常三场全输，他非常丧气。一次孙膑观看了比赛，然后给田忌出主意，调整赛马出场的次序，用自己的上等马对齐王的中等马，用自己的中等马对齐王的下等马，用自己的下等马对齐王的上等马。比赛结束，田忌以三场两胜赢得比赛，让齐王非常惊讶，因为田忌很少能赛赢。这件事虽小，却足以体现孙膑足智多谋，田忌非常钦佩他，趁机向齐王推荐他。齐王接见了孙膑，发现他果然谈吐不凡，见解独到，的确是个奇才，便对孙膑以“先生”相称，对其非常敬重。
孙膑逃走后，庞涓依然在魏国执掌军权，总想依靠战功提高自己的声望。公元前354年，庞涓率领八万魏军攻打赵国，赵都城邯郸被围，派人到齐国求救。齐王知道孙膑善于用兵，就想任命他为将军，率军救赵。孙膑以自己身有残疾辞谢，请派田忌为将，自己从旁辅佐。于是，齐王就让田忌任主将，孙膑任军师，率军前往救赵。
田忌想带大军直奔邯郸，与魏军正面交锋，以解赵国之围。孙膑认为魏国的精锐都在围困赵国，此时国内兵力空虚，因此建议田忌发兵攻打魏都大梁，这样可以迫使魏军回军自救，以解赵国的困境，同时，还可以使魏军疲劳，而齐军则以逸待劳。田忌觉得这个计策很好，当即采纳，率领齐军杀往大梁。
齐军压境，大梁被围，庞涓果然顾不上攻打邯郸，赶忙率大军驰援大梁自救。魏军走到桂陵，陷入齐军包围，因为急于行军，士卒们奔波劳累，被齐军打得落荒而逃，主将庞涓被活捉。魏国向齐国求和，孙膑训导了庞涓一番，将他放回魏国。虽然孙膑没有杀庞涓，但这一战也是对庞涓一次重击。这就是著名的“围魏救赵”。
十几年后，庞涓又联合赵国攻打韩国。韩国抵挡不住赵、魏两国的联合进攻，于是派出使臣向齐国求救。齐国内部有主张观望的，有主张救援的，两种意见相持不下。齐王问孙膑的意见，孙膑则提出综合两种意见，先答应韩国的要求，让他们全力拼杀，等待救援。然后，等他们两败俱伤时，再出兵攻魏。这样就可以不费力气打击疲惫的魏军，解救危难中的韩国。齐王很赞赏这个计策，在魏、韩两军交战一年后，再次以田忌为主将，孙膑为军师，前去救援。
孙膑故技重施，和田忌率军直接攻向魏国的都城大梁。庞涓听说大梁被围，怒气冲冲地率军回到大梁。孙膑说魏军自恃勇猛，急于求战，可以利用这个心理装出胆小怯战的样子，以诱敌深入。于是让田忌带领军队撤退，并且每天减少做饭的灶数。
庞涓率军赶回大梁，齐军已经撤走。魏军果然紧追不舍，一连追了三天，开始时齐军的营地有十万灶，第二天就剩五万灶，到了第三天就仅剩三万灶了。庞涓见状以为齐军怯懦，暗自得意，便率领精锐加紧追赶。
孙膑知道庞涓中计，计算魏军的行程，估计到了晚上他们就赶到马陵了，便在马陵设下埋伏。
马陵道是一条狭窄的小路，位于两座高山之间，树多林密，山势险要，易进难出，是个伏击歼敌的好战场。孙膑下令砍倒树木，堵塞道路，并选中路旁的一棵大树，刮去一段树皮，在树干上写道：“庞涓死于此树之下！”然后，他又命弓箭手埋伏在马陵道两边，并告诉他们，那棵刻字的树下一燃起火光，就朝那里放箭。
傍晚，庞涓率领的魏军骑兵果真来到马陵道。士卒报告说前方道路被乱木堵住了，庞涓赶紧上前查看。他看到树木横七竖八，只有路旁一棵大树屹立不倒，树皮上好像还有字，于是命人点起火把。当他拿着火把来到树下，刚看清“庞涓死于此树之下”几个字，猛然意识到中计了，但为时已晚，还没等他喊出“撤退”，齐军万箭齐发，魏军当即乱作一团。庞涓知道败局已定，无力回天，拔出佩剑自刎而死。
齐军乘胜追击，大败魏军，俘虏了魏太子申带回齐国。孙膑也因为这一仗声名远播。