听罢大喜，决定依计而行。
再说庞涓怒气冲冲地率兵以急行军的速度从韩返魏，望西南而行，快要抵达大梁城时，不料齐兵又撤退逃窜，于是整顿兵马，紧紧追赶。庞涓生性狡黠多疑，惟恐齐兵有诈，开始追击时还是比较谨慎的，行军速度也不算快，各队之间联络照应有致。后来他发现齐兵的锅灶一天比一天减少，这才放下心来，以为齐军果然怯弱，闻魏兵将至竟不战而逃亡过半，土气已经低落到不堪一击的程度，这是雪桂陵之耻的天赐良机。处于亢奋之中的庞涓当即传令，将步兵留后继行，自己亲率精锐骑兵，马不停蹄，昼夜兼程地沿着齐军撤退的方向猛追不舍。
田忌与孙膑从容地率兵撤退，同时派出许多侦探，观察并随时报告魏军动态。当孙膑得知魏军已过沙鹿山时，屈指计程，料定魏军日暮必到马陵(今河南范县西南)。马陵地势险峻，一条窄道夹在两山中间，道旁树木丛生，是设伏歼敌的好战场。于是孙膑命令齐军停止前进，砍伐树木，堵塞道路，设置障碍，布下重重埋伏，准备围歼追敌。
孙膑还特意命兵士把路旁的一棵大树刮去一段树皮，在白色的树干上用黑煤书写了8个大字：“庞涓死于此树之下”。
一切准备就绪后，孙膑挑选了弓弩手1万人，埋伏在山路两旁。然后对弓箭手发出命令说：“天黑时候，只要看见火把就一起射箭!”
果然不出孙膑所料，庞涓率领魏军黄昏时分赶到了马陵道，其时十月下旬，又五月色。魏军人困马乏，极度疲劳，都想停下来歇歇脚。这时，前军回报说，有断木塞路，难以前进。庞涓以为是齐兵惧怕魏军追赶，故设障碍，便命人搬木开路，忽然抬头看见树上砍白处，隐隐有字迹看不真切，庞涓命军士取火照之，众军士一起点起火来，庞涓于火光之下，看得分明，大惊中计，急令退兵，怎奈为时已晚。齐军万名弓弩手一见火光立刻万弩齐发，喊声四起。魏军顿时大乱，被齐军四面围住，既无法抵抗，又无路可逃，死伤殆尽。
庞涓在乱军中，身中数箭，自知“智穷兵败”，无法挽救危局，仰天长叹道：“吾恨不杀此刖夫，遂成竖子之名!
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