田忌雖然不知道孫臏有什麼妙計，但對孫臏的話深信不疑。到了再次賽馬的時候，田忌就下了3000兩黃金的大賭注，每場賭1000兩。臨賽前，孫臏對田忌說：“今天賽馬，第一場先用下等馬對國君的上等馬；第二場再用上等馬對他的中等馬；第三場用中等馬對他的下等馬。”田忌按照孫臏的計策行事，結果，第一場輸了，第二、第三場都贏了。三局二勝，田忌贏了齊威王千兩黃金。
由於以前都是田忌輸，這次卻是田忌贏，這使齊威王十分驚訝。因為齊威王覺得，他的馬實力比田忌的強，怎麼會贏一局而輸兩局呢？就問田忌取勝的原因。田忌便把孫臏替他出主意的事情，原原本本地告訴了齊威王。齊威王聽了，很想見見這個不按牌理出牌的孫臏，就傳令召見了他。齊威王同他談兵法，深感孫臏在軍事上有過人之處。於是，齊威王更加敬重他了。
兩敗魏國顯名諸侯
魏國出兵攻打趙國，趙國向齊求救。齊威王準備以孫臏為將，孫臏辭謝說：“受刑之人，身體殘損，有辱君威，不宜擔任主帥。”於是齊王派田忌為將軍，孫臏做軍師，坐在軍車之中籌謀策劃。
當時田忌建議直接出兵趙國以解趙國之圍，孫臏勸阻道：“避實就虛，在形勢上阻遏製止住敵方，自然就可以解圍。現在魏國攻打趙國，其精兵強將自然全部赴往前線，老弱殘兵留守國內，如果您此時引兵圍攻魏國的國都大梁，魏軍自然回撤，因為它不會看著自己的都城失守而還在外謀求利益。這樣我們就一舉解了趙國的圍，又收到了攻擊魏國弊弱的效果。”田忌聽從了孫臏的意見，邯鄲之圍果然迎刃而解，魏將龐涓引兵回撤進行自救。然而，這時孫臏又建議田忌將齊軍主力埋伏在魏軍必經的桂陵，準備與魏軍決戰。龐涓日夜兼程，急奔大梁，人困馬乏；齊軍以逸待勞，準備充分，圍殲魏軍。龐涓果然中計大敗，齊軍大勝。這就是中國曆史上有名的“圍魏救趙”。
桂陵之戰過去13年後，魏國聯合趙國攻打韓國。韓國告急，向齊國求救。齊威王認為救韓敗魏有利於圖霸大業，所以想出兵救韓，便召集群臣謀劃出兵救韓的策略。齊相鄒忌生怕田忌、孫臏再立大功，名位高於自己，因此反對出兵；田忌主張盡快出兵，救韓遲緩，韓國降魏，對齊國不利；孫臏提出“深結韓之親而晚承魏之弊”的策略，即出兵救韓，但不宜過早，先叫韓與魏交戰，到雙方都有大量消耗、損傷後，再出兵救韓，這樣不僅可以不用消耗大量兵力就可救下麵臨危亡的韓國，使齊有恩於韓，同時又可以趁魏國疲憊之際，給其重創。齊宣王采納了孫臏的策略，再次任命田忌為主將，孫臏為軍師，齊軍直奔大梁，威逼魏都。魏惠王聞訊，立即下令停止進攻韓國，調回龐涓，命太子申為上將軍，率兵10萬迎擊齊軍，要與齊決一雌雄。龐涓本來就對孫臏恨得咬牙切齒，加上又想報桂陵失敗之仇，所以有備而來，來勢凶猛，準備一舉打敗齊軍。
孫臏詳細地考察、分析齊、魏兩軍的戰略形勢和各自特點，從而采取了自己的戰略戰術。他沒有直接迎擊魏軍，而是采取了當魏軍回師大梁之際，齊軍向西進發。當龐涓趕回大梁時，齊軍已經越過西部邊境進入了魏國。
接著，孫臏又向田忌建議：利用三晉士兵向來驍勇剽悍、輕視齊軍的心理，示之以弱，透敵追擊，然後乘隙給予致命的打擊。孫臏還提出了誘敵的方法：即一和魏軍交戰，便立刻率軍向東撤退，途中逐日減少宿營地所築的軍灶數目，讓敵人以為齊軍每天都有大量的士兵逃跑，從而助長他們的輕敵情緒，引誘其冒險深入；然後，選擇有利的時間、地點，采用伏擊的方法，集中力量，一舉將他們殲滅。
而後來的結果確實如孫臏所料，龐涓領軍自韓國回到魏國，見齊軍已經撤走，便以為齊軍膽小，不敢與之交戰，就下令魏軍全速追擊。第一天龐涓趕到齊軍的宿營地，發現齊軍留下的軍灶到處都是，足可供10萬人使用。但是第二天，龐涓率魏軍追到齊軍的宿營地，發現軍灶減少了一半，隻夠5萬人用了。到了第三天，龐涓發現齊軍宿營地的軍灶更少了，僅夠3萬人用了。一向自以為是的龐涓被這種假象所迷惑興奮地對部下說：“早知齊軍怯陣，不敢同我作戰。沒想到才3天，人就跑了多一半，這次非將其全殲不可。”於是，丟下步兵、輜重，隻率領一支輕人裝精銳部隊，連夜追趕齊軍。