重新获得与孙膑对决机会的庞涓，此时的心情必然是恨得咬牙切齿。当初他以为自己万无一失，彻底解决掉了孙膑这个废人，没想到居然在桂陵的战场上又遇到了“死而复活”的孙膑，本人还被孙膑击败俘虏，惨遭羞辱。所以，他巴不得立刻就碰到齐军，把孙膑给抓来剁成肉酱。而太子魏申作为全军统帅，只是个虚职而已，加上他本人不懂军事，所以军队的指挥权实际上还是在庞涓手里。于是，在庞涓的命令之下，全副武装的魏军武卒全速向东前进，向狂风般逼近齐军。
但是，魏军的气势很快就被一个人叫徐生的布衣百姓泼了一盆冷水。
当魏军开进到外黄（今河南杞县东）时，遇见了徐生。徐生拦住太子魏申的去路，说他有“百战百胜之术”献给太子。
魏申便让徐生说来听听，徐生就说：
“太子自将攻齐，大胜并莒，则富不过有魏，贵不益为王。若战不胜齐，则万世无魏矣。此臣之百战百胜之术也。”
徐生的意思是魏军即使能大败齐军，最多也只能侵占齐国的莒地而已，并不能将齐国消灭。魏申到最后拥有的也仍旧只是一个魏国，地位也只是一个王位。但是魏国一旦被齐军打败，就会被列国围攻而灭亡。所以，魏申应该做的是领军回国，没有失败就没有人能动摇魏国的霸主地位。
魏申觉得徐生说得有理，便打算把部队带回去。但是他的决定遭到了庞涓的反对，庞涓觉得，大老远跑来，连齐军的影子都没看到就回去，太没有面子了，怎么也得把孙膑的头拧下来再说；还有一些急于立功的将领也纷纷表示了反对，他们要求魏申一定要继续前进，不能因为一个百姓一通胡说而耽误了军国大事。
就连魏申的车夫也反对说：
“刚出发没遇到敌人就撤退了，和战败没有什么区别（将出而还，与北同）。”
在众人的反对声中，懦弱的魏申不得不下令继续前进。
那么齐军现在在哪里呢？
其实就躲在离魏军不远的地方。
面对魏军气势汹汹的攻势，孙膑非常明白，和魏军硬碰硬是最不理智的方法。因为此时的魏军不是桂陵之战前的魏军，他们没有经历长时间的鏖战和长途急行军，体力比上次充足；而且他们有桂陵之战失败的耻辱，复仇的意志非常强烈；所以齐军要是继续采取桂陵之战中对攻的方式，必然是难以取胜的。
硬拼不行，那就得用巧胜。
孙膑对庞涓急躁高傲的个性是相当了解的。他知道庞涓遭受桂陵之战的羞辱，这次战斗他一定会急于求战，力图消灭齐军，在指挥上就会缺少对敌情的研究，冒失地采取突进的方式。齐军就可以针对魏军急求速战的想法，先向魏军示弱，引诱魏军深入，再施以出其不意的伏击，便能一举击败他们。
按照《孙子兵法》的说法，就是“能而示之不能，用而示之不用”，以虚实变化来打心理战，使庞涓做出错误的判断，最终掉进齐军的陷阱中。
什么样的示弱方法呢？孙膑创造性地想出了“减灶”这个办法。他向田忌提出：
“魏军自以为骁勇，一直以来都很轻视我军。我军就可以伪装出孤军深入魏国境内，粮草不济，已成强弩之末的假象。故意把营地里的灶坑数让魏军看，然后把灶坑的数量逐渐减少，表现我军士兵在溃逃。这样就会使魏军更加狂妄，贸然追击我军而中计”（彼三晋之兵素悍勇而轻齐，齐号为怯，善战者因其势而利导之。兵法，百里而趣利者蹶上将，五十里而趣利者军半至。使齐军入魏地为十万灶，明日为五万灶，又明日为三万灶）。
田忌自然是全部听从了孙膑的建议，开始做出了撤退的假象。
不久之后，魏军便在离外黄不远的地方撞见了正在后退的齐军。庞涓不由分说，立刻就率领着武卒精锐向齐军扑了上去。而齐军根据孙膑的作战计划，并没有和魏军硬拼，他们假装毫无斗志，立刻便脱离战线逃走了。
毛躁的庞涓不顾一切地带兵继续追击。当第二天他们经过齐军昨晚留下的营地时，他看见了那片平地上布满了许多相同大小的灶坑。庞涓让人数了一下，这些灶坑大约能提供十万人的伙食；第三天，他们又再次经过了齐军前一晚留下的营地，发现里面的灶坑少了，只够五万人的伙食了；第四天，他们又经过齐军营地时，看见里面的灶坑减少到只够三万人的伙食了。
庞涓完全被孙膑布置的假象所欺骗，他以为自己明察秋毫，从齐军留下的灶坑数量里发现了重大情报。他得意地说：
“我就知道齐国人怕我们，你看才三天的时间，他们的士兵就逃亡过半了（我固知齐军怯，入吾地三日，士卒亡者过半矣）。既然如此我们要加快速度追击，不能让敌人逃回齐国去。”
于是他从军中挑选出了部分精壮的武卒士兵，命他们抛弃辎重和重装铠甲，全员轻装行动。庞涓则亲自率领他们作为先锋，日夜兼程追击齐军。而太子魏申则率领其余部队跟随在他后面前进。在魏军日夜兼程的马蹄声和脚步声中，庞涓觉得自己已经看到了齐军狼狈逃窜的景象，而孙膑即将再一次被自己踩在脚底下。
但庞涓根本不知道，前方将是他的葬身之地。
从外黄往东前往齐国的路上，有一处名叫马陵（位置存有争议，一说在山东省郯城境内）的地方。这里道路狭窄，两边都是树林和高山，魏军一旦进入不仅难以布置阵法，而且无法后退，是一个非常适合设埋伏的地方。
孙膑决定就在这个地方设置埋伏袭击魏军，他估计以庞涓部队的行军速度，应该会在傍晚时分赶到马陵。他命人把路旁的大树砍倒，在路上横七竖八地放着，给魏军的行动制造障碍。同时，他安排一万余名弓弩手埋伏在高处的树丛中，要求他们以火光为号，一看见路上有明火就把箭全部射向敌军；又安排了数万名齐军精兵埋伏在树林里，一听到进攻的鼓声便冲出来将幸存的魏军先锋歼灭。其余齐军将士则被孙膑要求隐蔽在不远处，等待命令。
安排完作战部署后，孙膑特意派人把路中央的一棵大树削去一面树皮，在上面工工整整地写上了几个字：
“庞涓死于此树下！”
孙膑要在庞涓临死前最后羞辱他一把。
和老同学庞涓三十多年的恩怨，该有一个了断了。
公元前342年农历十月，一个寒冷的初冬。这天的马陵显得异常的安静，只有几只干瘦的乌鸦在呱呱乱叫。夕阳西下，天色渐渐地昏暗了下来，树林中升腾起了一层薄薄的雾气。但这里的宁静很快就被一阵急促的马蹄声给打破了。
庞涓率领着魏军先锋在这个时候赶到了马陵，但是他们很快就被道路上砍倒的树木给拦住了。急于追击的庞涓命手下立刻清除障碍，抓紧时间前进。魏军士兵七手八脚地把拦路的树木搬到了一边。在等待清除障碍的这段时间，魏军的后续部队不断赶来，他们拥挤在了马陵狭小的道路上无法前进，只好百无聊赖地闲坐着。
夜幕降临了。
这时，在前方清理障碍的魏军士兵看见了道路中间的一棵树被剥了皮，上面还写着几个个对庞将军不敬的字，他们连忙向上司做了汇报。
得知情况的庞涓亲自来到那棵树下，因为天色昏暗，他看不清上面的字，他就让身边的人点燃火把照明。
在火光之中，庞涓终于看清了那几个字，他依次念道：
“庞——涓——死——于——……”
但他还没有把这七个字念完，忽然一阵尖锐的飞箭呼啸声便从天而降，庞涓身边的武卒士兵还没回过神来便已然纷纷中箭了。庞涓见势不妙连忙躲闪，但密集的箭雨不断射来，他无处可躲。很快，几支箭便射中了他的身体。庞涓惨叫一声，摔倒在了地上。
埋伏树丛中的齐军弓箭手依照孙膑的安排，在看见庞涓取火照明的时候万箭齐发，将暴雨般的箭矢倾泻在马陵道上。因为毫无防备，魏武卒们在突然而至的袭击下顿时便乱了阵脚。在连续几番密集的弓箭射击下，他们就算有再精良的装备，再高强的作战技能，此刻也毫无作用。他们就像羊群一样被齐军肆意屠杀，在惶恐中又自相践踏，狭窄的马陵道上一片混乱。
密集的弓箭射击结束之后，齐军敲响了进攻的鼓声。原来埋伏在树林里的数万名齐军精兵呐喊着杀向马陵道，将剩余的魏军分割成了数段围歼。在震耳欲聋的喊杀声中，魏军的军心彻底崩溃，他们完全失去了指挥，在齐军的攻击之下狼狈逃窜，魏军的尸体和伤员立刻铺满了道路。
还有一口气的庞涓挣扎着站起来，他看见自己士兵的尸体铺满了脚下的土地，想到跟随自己征战多年的魏武卒即将覆灭。无力回天的他此刻深刻明白了什么叫做绝望。
看着树上孙膑写的那七个字，庞涓悲愤发出了自己最后一声嚎叫：
“遂成竖子之名！”
说完他拔出了自己佩剑，割喉自杀了。
齐军歼灭了马陵道上魏军前锋部队，但战斗还没有就此结束，跟随庞涓而来的魏申此时也率领的大队魏军主力也赶到了马陵，对刚才出击的齐军发起反攻。孙膑见状，立刻下令原来隐蔽在不远处的齐军全部出动，将魏申的部队包围起来。
田忌的齐军受到孙膑严格的训练，熟悉各种阵法。当他们全数出动时，他们摆出了一个魏军从来没有见过的阵型。齐军将战车掉头，用车厢组成一道封锁墙，然后在车厢的缝隙之间用盾牌组成矮墙。而在车厢和盾牌阵的后面，则是一排弓弩手和长戟士，长戟士的后面才是手持短兵器的格斗士。
这套不知名的阵法环环相扣，加上马陵道独特的地形，魏申的部队被死死困在了马陵。齐军的弓弩手躲在战车和盾牌背后不断地发射如蝗虫般的飞箭，将仓皇应战的魏军成片成片地射倒。魏申慌忙下令魏军全力突围，但魏军士兵奋力地扑向齐军阵列，却被坚固的战车和盾牌阵挡住了，战车前方又有齐军布置的蒺藜，那些蒺藜浑身都是刺。而躲在战车后方的齐军长戟士则挥舞着长戟，当即将这些冲锋的魏军士兵刺死。就算有个别士兵冲过了封锁墙，也立刻被后面持短兵器的齐军格斗士杀死。
魏军突围乏术，而齐军则不断地缩小包围圈。在孙膑布下的死亡陷阱面前，魏申的部队最终被尽数全歼。魏申本人被俘虏，但他羞愧于大军覆灭，趁人不备也自杀身亡了。
在这个震撼的夜晚，魏军十万主力包括纵横天下的武卒部队在马陵灰飞烟灭，主将庞涓和太子魏申一同自杀。这是魏国前所未有的大惨败。马陵之战轰动了整个天下。