《史记·卷六十五·孙子吴起列传》：忌数与齐诸公子驰逐重射。孙子见其马足不甚相远，马有上、中、下、辈。于是孙子谓田忌曰：“君弟重射，臣能令君胜。”田忌信然之，与王及诸公子逐射千金。及临质，孙子曰：“今以君之下驷与彼上驷，取君上驷与彼中驷，取君中驷与彼下驷。”既驰三辈毕，而田忌一不胜而再胜，卒得王千金。于是忌进孙子于威王。威王问兵法，遂以为师。

田忌经常与齐国诸公子赛马，设重金作为赌注。孙膑发现比赛的马脚力都差不多，可分为上、中、下三等，于是建议田忌加大赌注，并且向他保证必能取胜。孙膑在“田忌赛马”故事中所采用的方法，被视为“策对论”的最早运用。

桂陵之战

《战国策·卷八·齐策一·邯郸之难》：田侯召大臣而谋曰：“救赵孰与勿救？”邹子曰：“不如勿救。”段干纶（《史记·卷四十六·田敬仲完世家》作段干朋）曰：“弗救，则我不利。”田侯曰：“何哉？”“夫魏氏兼邯郸，其于齐何利哉！”田侯曰：“善。”乃起兵，曰：“军于邯郸之郊。”段干纶曰：“臣之求利且不利者，非此也。夫救邯郸，军于其郊，是赵不拔而魏全也。故不如南攻襄陵以弊魏，邯郸拔而承魏之弊，是赵破而魏弱也。”田侯曰：“善。”乃起兵南攻襄陵。

公元前354年，赵国进攻魏国的盟国卫国，夺取了漆及富丘两地（均在今河南省长垣县）， 此举招致了魏国的干涉，魏国派兵包围赵国首都邯郸（今河北省邯郸市）。 次年，赵国派使者向齐、楚两国求救。

齐威王召集大臣们商议，邹忌反对救援，而段干朋则建议齐威王分兵一路向南攻打襄陵（今河南省睢县）来疲劳魏军，然后趁魏军攻破邯郸后救援赵国，这样既救援了赵国，又同时削弱了魏、赵两国。齐威王采纳段干朋的建议，兵分两路，一路齐军围攻魏国的襄陵，一路由田忌、孙膑率领救援赵国。

马陵之战

《孙子列传》：后十三岁，魏与赵攻韩，韩告急于齐。齐使田忌将而往，直走安浥。魏将庞涓闻之，去韩而归，齐军既已过而西矣。孙子谓田忌曰：“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。”庞涓行三日，大喜，曰：“我固知齐军怯，入吾地三日，士卒亡者过半矣。”乃弃其步军，与其轻锐倍日并行逐之。孙子度其行，暮当至马陵。马陵道陕，而旁多阻隘，可伏兵，乃斫大树白而书之曰“庞涓死于此树之下”。于是令齐军善射者万弩，夹道而伏，期曰“暮见火举而俱发”。庞涓果夜至斫木下，见白书，乃钻火烛之。读其书未毕，齐军万弩俱发，魏军大乱相失。庞涓自知智穷兵败，乃自刭，曰：“遂成竖子之名！”齐因乘胜尽破其军，虏魏太子申以归。孙膑以此名显天下，世传其兵法。

公元前342年，魏将穰疵在南梁（今河南省汝州市西）和霍（今河南省汝州市西南）击退韩将孔夜的军队， 韩昭侯派使者向齐国求救。孙膑再次采用围魏救赵的战术，率军袭击魏国首都大梁。经此一战魏国元气大伤，失去霸主地位,齐军大破魏军。魏军主帅庞涓自杀，魏太子被生俘。齐国取代魏国，成为霸主

公元前343年(孙膑34岁)“马陵之战”后离开齐国。

齐国内部却产生了矛盾。丞相邹忌嫉妒大将田忌功劳，阴谋陷害其谋反。孙膑曾建议田忌先发制人，捉住邹忌面君。但以国家利益而且死忠齐君的田忌担心引起内乱，不肯动手。最终田忌被排挤，得不到任用。孙膑见此，自觉留下无益，而且经历了太多的情非得已的杀戮和争斗之后，产生归隐之意。最终引退。一说跟从其老师鬼谷子的足迹引退鬼谷。一说带领门下弟子，一边躬耕，一边整理兵法