公元前354年，赵国向外扩张，攻打魏国附属国卫国。魏惠王得知后，派大将庞涓率军直攻赵国都城邯郸（今河北邯郸市）。赵成侯见魏军兵强马壮，派人去齐国求援。
齐威王当时有意向外扩张，不愿看到魏国一家独大，准备让孙膑挂帅带军前去救援赵国。孙膑推辞道：“臣乃残疾之人，如果让我带兵，他国恐怕会笑我们齐国无人。请国君拜田忌为将，我定当助田将军退敌。”齐威王于是拜田忌为主将、孙膑为军师，一同前去救援赵国。
田忌点齐人马准备直奔邯郸，与赵军里应外合夹击魏军，孙膑劝阻道：“魏军主力现在都在邯郸，等我们到邯郸，邯郸恐怕已经被魏军攻破，到那时魏军以逸待劳难以取胜。如今之计，不如趁魏都大梁（今河南开封）空虚，派一偏军佯攻大梁，再把大军主力埋伏在庞涓回援的必经之地。等庞涓得知大梁有失定会率军会援，我们就能以逸待劳击败魏军。”田忌听从了孙膑的劝告，派出一支五千人的部队前去佯攻大梁，自己则带领大军主力埋伏在桂陵（今河南长垣）。
在邯郸的庞涓刚攻破邯郸城，准备继续深入时，魏惠王的使者却带来齐军入侵大梁的消息，并让庞涓立即率军救援大梁，庞涓只得日夜兼程赶回魏国。
魏军赶到桂陵时，早已是人困马乏，突然被等候多时的齐军截去去路，庞涓不由怒从心来，当即向齐军发起进攻。
交战期间，庞涓看到坐在轮椅上的孙膑心中大乱，导致魏军阵容未战先乱，齐军这边却是阵容整齐、士兵个个精力充沛。几个回合下来，魏军大败，庞涓带着少数士兵狼狈地逃回大梁。这便是“围魏救赵”的典故由来。
公元前342年，庞涓为戴罪立功，再次率领魏军攻打韩国。韩国不敌，派人向齐国求援。
齐威王在朝堂上问大臣救与不救哪个对齐国有利，相国邹忌认为不救，但田忌却认为要出兵救援。齐威王一时拿不定主意，转头询问孙膑看法。
孙膑说道：“魏国自恃兵强马壮，肆意攻伐周边国家，如果不救韩国，魏国再将韩国吞并，将来会对齐国不利。但如果在魏、韩交战之前就出兵救援韩国，那就是我们齐国替韩国承受了战争之苦，会让齐军受损。不如先答应出兵救韩，韩国得知后一定会拼死抵抗魏军，等到魏、韩两败俱伤之际，我们再出兵救韩。如此一来，就是花费最小的代价，却能得到韩国最大的感激。”齐威王听后大喜，依旧派田忌与孙膑一同前去救援韩国。
韩国得知齐国将要出兵，果然信心大增、拼死抵挡住魏军一轮又一轮的进攻。眼见韩军逐渐不支，田忌准备向魏军发起进攻，但孙膑却再次提出攻打魏都大梁，以解韩国被围，田忌于是下令直奔大梁。
韩军因迟迟等不到齐军，士气逐渐低落，庞涓乘机连战连胜，直驱韩国都城新郑（今河南郑州）。然而就在魏军即将攻下新郑时，魏国的使者再次带来齐军入侵的消息，庞涓无奈只得撤军回援。
这一次，庞涓虽然吸取了上次的教训，没有日夜兼程导致魏军人困马乏，但孙膑却利用庞涓轻敌的特点，采用“增兵减灶”之计，使庞涓丢下主力部队，率领少量轻骑误入孙膑设下的圈套。
当时齐军已深入魏境，孙膑第一天让人建了十万个做饭的灶台，第二天减少到五万个，第三天又减少到三万个，之后又让后续部队陆续抵达预先埋伏点：道路狭窄的马陵道（今河南濮阳）两旁。庞涓大军赶回魏国发现齐军灶台日渐减少，误以为齐军胆怯、逃亡过半，于是将八万步兵主力留给魏太子申，自己带着两万余骑兵前去追击齐军。
魏军赶到马陵时正值黄昏，庞涓让人点**把继续赶路。埋伏在两旁的齐军弓弩手见魏军火把，万箭齐发，魏军顿时乱作一团。庞涓自知败局已定，为了不被生擒受辱，自刎而亡。齐军歼灭魏军骑兵后，又乘胜击败了太子申的步兵，太子申自刎而亡。经此一战，魏国元气大伤、彻底失去了霸主地位。
桂陵和马陵的大胜虽然让齐国一跃成为当时数一数二的强国，但田忌却因功劳过大遭到邹忌的嫉妒，齐国朝堂之上也因此出现不和谐的声音。与此同时，魏国担心齐国继续作大，派人潜入齐国贿赂邹忌，让他设法削夺田忌的兵权。邹忌当时也担心田忌再立战功，将来的职位会在自己之上，便有意陷害田忌。
一天，邹忌派门客公孙阅假扮成田忌的随从带着重金在闹市找人占卜，并说道：“我是田忌将军的随从，我家将军现在军权在手、名震天下，又是田氏宗族，想图谋大事。请先生占卜一下，大事是否能成。”卜者听后大惊道：“这是大逆不道之事，小人不敢占卜。”公孙阅说道：“先生不肯占卜我也不强求，但请先生不要将此事泄漏出去。”随即就离开了。
公孙阅走后没多久，邹忌就派人将卜者抓了起来，并逼他说出了公孙阅占卜之事，随即又将卜者带入齐宫见齐威王。齐威王听后果然对田忌猜忌起来，先是夺取了田忌的兵权，之后又派人每天监视着田忌的一举一动。田忌对此深感不安，逃到楚国去了，孙膑因不满田忌的遭遇，也辞官归隐山林去了。
公元前334年，齐、魏两国结好，在徐州（今山东梧州市）会盟。
会盟上，魏惠王为讨好齐威王，劝说齐威王称王。齐威王担心独自称王会引来他国不满，于是与魏惠王互相承认对方的王位。这便是著名的齐、魏“徐州相王”事件。
公元前320年，在位三十余年的齐威王去世，其子齐宣王继位。
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