為了掩飾戰略意圖，孫臏建議先南下佯攻魏國平陵（今山東菏澤市定陶區東北）。平陵雖然地小，但是個戰略要地，兵力充足，易守難攻。孫臏說攻打平陵可以讓魏國人覺得我們齊軍指揮官是個二貨，讓他們掉以輕心。
田忌采納孫臏的計策，大軍開向平陵。等接近平陵時，孫臏讓田忌命令齊國附近的兩個城池直接發兵攻打平陵，吸引魏軍注意，被打得大敗。另一方麵，孫臏派出一小隊先鋒，直接衝到了大梁城，逼迫龐涓回來。在龐涓撤回路上，孫臏還派了少數部隊和龐涓交戰，每次開打就故意示弱逃跑故意外。龐涓覺得齊國兵不過如此，於是舍棄輜重，輕裝行軍，日夜兼程趕回都城救援。
這一切都在孫臏的預料當中，按照孫臏的部署，齊軍主力已在龐涓回來的必經之路桂陵（今河南省長垣縣西南）設伏。當時齊、魏雙方的兵力差不多都是八萬左右，但魏軍被孫臏的一步步策略折騰得夠嗆。等龐涓率領大軍經過桂陵，齊軍殺聲四起，伏軍儘出，魏軍頓時大亂陣腳，紛紛逃散，主將龐涓則被生擒。見到孫臏後，龐涓幡然醒悟，難怪乾不過齊國人，原來是自己的克星孫臏在當軍師。
這場戰役史稱桂陵之戰，是一場精彩的阻擊戰。孫臏步步為營，避實就虛，設套框柱了龐涓，不過孫臏不像伍子胥那麼狠，倒是沒有殺了龐涓泄恨。
桂陵之戰魏國雖然大敗，主帥被俘，不過本身家底雄厚，趙國邯鄲仍然被魏軍占領。另一邊，魏惠王調用了韓國軍隊打敗了攻打襄陵的齊、衛、宋聯軍。齊威王看魏國還是這麼強壯，想要停戰了，就請求楚國當中間人進行調解。魏國遭受重大失利，同意調解方案，於是各國停戰，魏軍撤出邯鄲，趙國得救，龐涓則被齊國放了回來。
按照當時的實力排名，魏國仍然占據榜首，齊國則躍居第二，楚國第三，秦國此時還在上升期，暫居第四。春秋末代霸主越國經曆了數次內亂，國力大衰，已經大不如前了，依靠著家底勉強排第五。韓國經過申不害變法後，實力超過趙國，排第六。趙國第七。燕國這時候還比較落後，和宋國、魯國實力差不了多少。這也是魏國最後一次霸榜了，宣告魏國霸業終結的戰役即將來臨。