再说魏惠王罢免了孙膑后，命令庞涓负责恢复对中山的控制。庞涓向魏惠王报告说：“中山离我们远，离赵国近，与其去远方争斗，不如就近解决。我请求为您直接攻击邯郸，以报中山之仇。”魏惠王同意了。于是，庞涓派出五百辆战车攻打赵国，围攻邯郸。邯郸的守将连续战败，向赵成侯求援。赵成侯派人带着中山的财物去贿赂齐国求救。齐威王因为已经知道孙膑的能力，任命他为大将。孙膑推辞说：“我是个受过刑的人，如果让我领兵，那会显得齐国没有人才，会被敌人笑话。我建议让田忌做将军。”齐威王于是任命田忌为将军，孙膑为军师，孙膑总是坐在辎车中，秘密地出谋划策，不暴露自己的身份。田忌想要领兵去救援邯郸，孙膑阻止他说：“赵国的将领不是庞涓的对手，我估计我到了邯郸，他们的城池已经被攻下了。我们不如驻扎在半路上，宣称我们要攻打襄陵，庞涓一定会回兵救援，我们等他回来再攻击他，一定能够胜利。”田忌采纳了孙膑的建议。当时邯郸的援军还没有到，邯郸守将因为无法继续抵抗，便向庞涓投降了，庞涓派人向魏惠王报捷。正当庞涓准备继续进兵的时候，突然听说齐国派田忌乘虚来袭襄陵。庞涓大惊，说：“襄陵如果失守，安邑就会受到震动，我必须回去保卫根本。”于是，庞涓下令撤军。
距离桂陵二十里时，他们遇到了齐国的军队。原来，孙膑早已得知魏国军队的到来，事先做好了准备。他先派副将袁达，带领三千人去在路上阻击敌人。庞涓的侄子庞葱率领的前锋部队首先到达，与齐军展开激战。双方交战了二十多个回合后，袁达假装败退。庞葱担心对方有诡计，不敢追击，于是回来向庞涓报告了情况。庞涓责骂道：“一个偏将都不能捉拿，怎么可能捉拿田忌？”于是带领大军追击。快到桂陵时，只见前面的齐军已经排好了阵势。庞涓乘车观看，发现这正是孙膑刚到魏国时摆的“颠倒八门阵”。庞涓心里感到疑惑，心想：“田忌怎么会知道这个阵法？难道孙膑已经回到齐国了吗？”当下，庞涓也布置好军队列队。只见齐军中，田忌的大将田旗号闪出，推出一辆战车，田忌全副武装，手执画戟，站在车中。田婴手持长戈，站在车右。田忌大喊：“魏国的将领们，有能战的就过来说话。”庞涓亲自驾驶战车，对田忌说：“齐国和魏国一直友好相处，魏国和赵国的恩怨，和齐国有什么关系？将军放弃友好，去追寻仇恨，这实在是错误的决策！”田忌说：“赵国把中山之地献给我们的主公，我们的主公命令我带领军队去救援赵国。如果魏国也愿意割让几块地盘给我，我立刻就撤军。”庞涓愤怒地说：“你有什么本领，敢和我对阵？”田忌反问：“你既然有本领，能看懂我的阵法吗？”庞涓回答：“这是‘颠倒八门阵’，我向鬼谷子学习的，你怎么可能偷学了一些，就敢来问我？我们国家的三岁小孩，都能认得这个阵法！”田忌说：“既然你能识得这个阵法，那你敢攻打这个阵吗？”庞涓心里犹豫，如果回答说不打，那就失去了志气，于是他大声回答：“既然我能识得这个阵法，我怎么可能不敢攻打！”然后庞涓对庞英、庞葱、庞茅说：“孙膑曾经讲解过这个阵法，我知道如何攻击。但这个阵法可以变成长蛇，攻击头部则尾部响应，攻击尾部则头部响应，攻击中部则首尾都响应，攻击者总是被困住。现在我要去打这个阵，你们三人各自率领一队人马，只要看到这个阵法发生变化，你们三队就一起进攻，让首尾无法相互支援，那么这个阵就可以被破了。”庞涓布置完毕后，自己率领五千精锐部队，上前挑战。一进入阵中，只见八方的旗帜颜色纷纷变化，分不清哪一门是休门、生门、伤门、杜门、景门、死门、惊门和开门。他们东冲西撞，周围都是密密麻麻的士兵和武器，找不到出路。只听到金鼓喧天，四周都在呐喊，举起的旗帜上都写着“孙膑”的名字。庞涓大吃一惊，说：“果然齐国有刖夫（孙膑），我已中了他的计策！”正处于危险之中，却有庞英、庞葱带着援军杀了进来，成功救出了庞涓，但是那五千名精锐士兵却一个也没有剩下。询问庞茅的时候，却发现他已经被田婴所杀，共损失了两万余人。庞涓感到非常伤感。原来八卦阵本来是按照八个方向布置，加上中央的戊己两队车马，总共是九队车马，形成一个正方形的阵势。等到庞涓进入战阵，他抽调了首尾两队车马作为两个角，以阻止外援的救援，只留下七队车马，将阵势变为圆形，以此迷惑庞涓。后来唐朝的卫国公李靖，就是根据这个圆形阵势布置了六花阵。有一首诗说：“八阵中藏不测机，传来鬼谷少人知。庞涓只晓长蛇势，那识方圆变化奇？”现在堂邑县东南方向有一块地名叫古战场，那曾经是孙膑和庞涓交战的地方。
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