路上，田忌主张直奔邯郸解困，而孙膑却说：“扼咽喉，击空虚，攻其必救，其围自解。如我奔邯郸救赵，魏军以逸待劳，于我不利，这不是上策。”建议：“急速进军大梁（魏国都，今开封），庞涓必放弃围赵而回兵自救。”采取“声东击西”、“避实就虚”的作战方针，即“围魏救赵”的主张。
    于是田忌驱师乘虚直奔魏都大梁，迫使远在异国的魏军“释赵而自救”。魏军长期在外作战，已疲惫不堪，又突闻齐军进逼国都，仓惶从赵撤兵，回救大梁。庞涓率军回到魏国，得知齐军刚刚退兵，于是下令急追三天三夜不懈。路上，孙膑命士兵沿途丢弃兵器、衣物、粮草等，以诱敌深入。
    庞涓胜战心切，不知是计，率师连夜追击，天亮时追至鄄阿之间（今菏泽城东北何楼一带）的桂陵，猛然发现已进入山谷中。他吃惊地勒住马僵，刚一停顿。只听一声鼓响，丛林处跃出千军万马，眨眼间摆出一个阵势森严，刀枪如林的兵阵。庞涓慌忙登上战车，不禁大吃一惊。原来是“颠倒八门阵”，这种阵法系老师鬼谷子（孙膑、庞涓求学于鬼谷子）所传，难道孙膑在齐军中？他正要退兵，忽报后面又发现伏兵，归路被切断。庞涓拍马挥师闯阵，刚一入阵，阵势刹时变幻，杀声震天，四面八方都是“孙”字大旗。庞涓企图奋力杀开一条血路，左冲右突，但孙膑布阵有方，变化无穷，庞涓损兵折将，眼看要冲出山口，突然一条绊马索把他摔下马来。庞涓终于被孙膑生擒。
    这次战役使魏军得到重创，打击了魏国，提高了齐国的威望。