第二天，魏王设宴款待淳于髡。魏王知道淳于髡是善于辩论的人，便赠送了他丰厚的金帛。淳于髡辞别魏王，准备启程。庞涓又在长亭设酒为他饯行。
禽滑在前一天夜里，就用温车藏好了孙膑，然后让仆人王义穿上孙膑的衣服，披头散发，用泥土涂满脸部，装扮成孙膑的模样。地方上已经将此事上报，庞涓因此没有起疑。
淳于髡出了长亭，与庞涓欢饮后告别。他先让禽滑驾车快速前行，自己在后面押阵。过了几天，王义也成功脱身赶来。地方上的人只看到地上扔着肮脏的衣服，却不见孙膑的踪影，立刻报告给庞涓。庞涓怀疑孙膑投井自尽了，派人打捞尸体，却一无所获。他四处打听，也毫无消息。庞涓担心魏王责备，便告诫左右，只说孙膑失足溺死，上报给了魏王，也没有怀疑孙膑去了齐国。
再说淳于髡载着孙膑离开了魏国国境，才让孙膑沐浴更衣。进入临淄后，田忌亲自到十里之外迎接。田忌向齐威王禀报了此事，齐威王让孙膑乘坐蒲车入朝。齐威王向孙膑请教兵法，当即想要封他官职。孙膑推辞说：“我还没有立下一点功劳，不敢接受爵位。庞涓要是听说我在齐国被任用，又会心生嫉妒，挑起事端。不如暂且隐瞒此事，等有需要我的地方，我再效力，您看如何？” 齐威王听从了他的建议，让孙膑住在田忌家中，田忌将他尊为上宾。
孙膑想和禽滑一起去感谢墨翟，可墨翟师徒二人已经不辞而别了。孙膑不禁叹息不已。后来，孙膑又派人去打听孙平、孙卓的消息，却毫无音信，这才知道是庞涓设的骗局。
齐威王闲暇时，常常与宗族的公子们赛马赌胜，以此为乐。田忌的马比不上其他人的马，多次输钱。一天，田忌带着孙膑一同到赛马场观看比赛。孙膑见马匹的脚力相差不大，但田忌的马在三场比赛中都输了，便私下对田忌说：“您明天再赛马，我能让您必定获胜。” 田忌说：“先生果真能让我获胜，我就向大王请求，用千金作为赌注。” 孙膑说：“您只管去请求。”
田忌向齐威王请求道：“我赛马屡次输钱。明天我愿倾尽家财，一决输赢，每场赌注为千金。” 齐威王笑着答应了。
这一天，公子们都精心装饰了车马，齐聚赛场，百姓前来围观的有数千人。田忌问孙膑：“先生必胜的方法是什么呢？千金一场的赌注，可不能开玩笑！” 孙膑说：“齐国的好马，都集中在大王的马厩里，您想按马的等级依次与他们比赛，很难取胜。不过，我有办法让您赢。比赛分为上、中、下三场。您用下等马去对付他们的上等马，用上等马去对付他们的中等马，用中等马去对付他们的下等马；这样，您虽然会输一场，但必定能赢两场。” 田忌说：“妙啊！” 于是用金鞍锦鞯装饰他的下等马，伪装成上等马，先与齐威王赌第一场。两匹马的脚力相差甚远，田忌又输了千金。齐威王大笑，田忌说：“还有两场，要是我全输了，您再笑话我也不迟。” 等到第二场和第三场，田忌的马果然都赢了，赢得了许多财物和千金。
田忌上奏说：“今天能获胜，并非我的马有多么厉害，而是孙膑先生教我的方法。” 接着，他讲述了其中的缘故。齐威王感叹道：“就从这小事，便能看出孙先生的智慧！” 从此，齐威王对孙膑更加敬重，赏赐无数，这是后话。
再说魏惠王废掉孙膑后，责令庞涓去收复中山之地。庞涓上奏说：“中山离魏国远，离赵国近，与其去远处争夺，不如就近割取土地。我请求为大王直接攻打邯郸，以报中山被占之仇。” 魏惠王同意了。
庞涓于是率领五百辆战车讨伐赵国，包围了邯郸。邯郸的守臣赵选，连战连败，上表向赵成侯求救。赵成侯派人用中山之地贿赂齐国，请求齐国救援。齐威王早已知道孙膑的才能，想要拜他为大将。孙膑推辞说：“我是受过刑罚的人，如果让我带兵，会显得齐国没有其他人才，被敌人笑话。请让田忌为将吧。” 齐威王便任用田忌为将，孙膑为军师，孙膑常常坐在辎车之中，暗中出谋划策，不显露自己的名声。
田忌想要带兵去救援邯郸，孙膑阻止他说：“赵国的将领不是庞涓的对手，等我们赶到邯郸，邯郸城恐怕已经被攻破了。不如在半道上驻军，扬言要攻打襄陵，庞涓必定会回师救援，等他回来时再攻击他，没有不胜的道理。” 田忌采用了他的计谋。
当时，邯郸迟迟等不到救援，赵选只好献城投降庞涓。庞涓派人向魏王报捷。他正准备继续进兵，忽然听说齐国派田忌乘虚攻打襄陵。庞涓大惊道：“襄陵要是有失，安邑就会震动，我必须回去救援根本之地。” 于是下令班师回朝。
在离桂陵二十里的地方，魏军就遇到了齐军。原来，孙膑早已打听得知魏兵到来，提前做好了准备。他先派牙将袁达，率领三千人截住魏军去路，向他们挑战。庞涓的族子庞葱率领前队先到，迎战袁达。双方交战了二十多个回合，袁达假装战败逃走。庞葱担心有诈，不敢追赶，便回来向庞涓禀报。庞涓斥责道：“连一个偏将都擒不住，还怎么擒获田忌？” 于是亲自率领大军追击。
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