数部队和庞涓交战，每次开打就故意示弱逃跑故意外。庞涓觉得齐国兵不过如此，于是舍弃辎重，轻装行军，日夜兼程赶回都城救援。
这一切都在孙膑的预料当中，按照孙膑的部署，齐军主力已在庞涓回来的必经之路桂陵(今河南省长垣县西南)设伏。当时齐、魏双方的兵力差不多都是八万左右，但魏军被孙膑的一步步策略折腾得够呛。等庞涓率领大军经过桂陵，齐军杀声四起，伏军尽出，魏军顿时大乱阵脚，纷纷逃散，主将庞涓则被生擒。见到孙膑后，庞涓幡然醒悟，难怪干不过齐国人，原来是自己的克星孙膑在当军师。
这场战役史称桂陵之战，是一场精彩的阻击战。孙膑步步为营，避实就虚，设套框柱了庞涓，不过孙膑不像伍子胥那么狠，倒是没有杀了庞涓泄恨。
桂陵之战魏国虽然大败，主帅被俘，不过本身家底雄厚，赵国邯郸仍然被魏军占领。另一边，魏惠王调用了韩国军队打败了攻打襄陵的齐、卫、宋联军。齐威王看魏国还是这么强壮，想要停战了，就请求楚国当中间人进行调解。魏国遭受重大失利，同意调解方案，于是各国停战，魏军撤出邯郸，赵国得救，庞涓则被齐国放了回来。
按照当时的实力排名，魏国仍然占据榜首，齐国则跃居第二，楚国第三，秦国此时还在上升期，暂居第四。春秋末代霸主越国经历了数次内乱，国力大衰，已经大不如前了，依靠着家底勉强排第五。韩国经过申不害变法后，实力超过赵国，排第六。赵国第七。燕国这时候还比较落后，和宋国、鲁国实力差不了多少。这也是魏国最后一次霸榜了，宣告魏国霸业终结的战役即将来临。