龐涓率領著魏軍，在齊國軍隊後麵追了三天。看到齊國軍隊營地上的爐灶規模日漸縮小，非常高興，說：“我早就知道齊國將士膽小怕死，進了魏國邊境才三天，逃跑的將士已經超過半數了。”龐涓覺得起初對齊國軍隊過於重視了，便開始輕敵，何況齊國軍隊的規模已經不大，便下令拋下行軍緩慢的步兵，隻帶領精銳的輕騎部隊，不惜體力，晝夜兼程，拚命追趕齊國軍隊。
孫臏早已算好了龐涓的行程，認定龐涓所率的軍隊將在夜裏趕到馬陵（今河北省大名縣東南）。馬陵的道路非常狹窄，兩旁山勢陡峭，形勢險要，適合於設兵埋伏。孫臏命令士卒兵把路旁一棵大樹的樹皮削掉，在雪白的樹身上寫下“龐涓必定死於此樹之下”幾個大字。同時又選中了一萬名善於射箭的士卒，讓他們埋伏在道路兩旁，還吩咐他們說：“記住了，晚上一看到有火光亮起來，就一齊朝那裏射箭！”
到了晚上，龐涓率領著那支輕騎部隊，果然氣喘籲籲地趕到了馬陵。走在形勢險要的山路上，他發現前麵有棵大樹的樹身十分奇怪，便停下馬來，上前打算仔細看個究竟。他發現那雪白的樹皮上還寫有一行字，隨即吩咐士卒點燃火把，湊近了看。還沒有看完那行字，埋伏在道路兩邊的一萬名齊國軍隊的弓箭手，一齊拉開了弓箭，頓時萬箭齊發，矢如雨下。魏國軍隊一片混亂，互相失去了聯係，根本無法組織反撲。龐涓知道自己的智謀已經窮盡，兵敗已成定局，便拔劍割頸自殺。自殺之前，他還大叫道：“我終於成就了孫臏這小子的名聲！”
龐涓一死，魏國軍隊沒了主帥，更加潰不成軍。齊國軍隊於是乘勝追擊，徹底打垮了對手，還俘虜了魏惠王的太子申，把他帶回齊國。孫臏由於這次勝利而名揚天下，世上至今仍流傳著他所寫的兵法著作《孫臏兵法》。