齐威王觉得段干明对局势分析的透彻，救赵的方案也切实可行，还可因救赵而得到中山之地，便欣然接受了段干明的建议。庞涓得知齐与宋联合行动的消息后，很快研究了派往四方的探马和打进周边国家的卧底反馈回来的情报，觉得这些邻国也只是为了表示对赵国的友好，而象征性地出动小股部队在魏国边境骚扰一下，不足为虑，国内守军完全可以对付得了。因此，围困邯郸的魏军不为所动。
魏赵两军在邯郸相持将近一年，邯郸已被围得水泄不通。于是在公元前353年，赵国又一次向齐国告急求援。这时，围困邯郸的魏军已疲惫不堪，齐威王觉得出师救赵的时机已经成熟，就准备委派才能过人的孙膑为主将去救赵国，孙膑听说后便向齐王辞谢说：“我是个受过酷刑的人，我当主将会被魏国耻笑，还是请田忌大夫为主将吧，我可以随军为田大夫出些主意。”实际上孙膑还有一个没说出的理由是不想在战前让庞涓知道自己在齐国。看来，严酷的现实已使孙膑不得不处处提防着自己这个阴险狠毒的老同窗。
齐威王同意了孙膑的意见，逐拜田忌为主将，孙膑为军师，考虑到孙膑的身体状况，便让孙膑坐在带蓬帐的军车里，暗中为田忌出谋划策。之后，即发兵八万去救赵国。开始，田忌准备引兵直捣邯郸，包抄魏军后路，配合赵国内外夹击，以解邯郸之围。孙膑不同意田忌那么做，他对田忌说：“这办法不见得是一条上策。”田忌说：“赵国很快就要被攻陷，除了直扑邯郸外，还有什么别的好办法吗？孙膑说道：“想要解开乱成一团的绳索，一定要冷静地找出它的绳结，然后用手指慢慢解开，千万不能双手紧握绳索生拉硬扯，更不能用拳头去捶打；要排除争斗，不能卷进去左冲右突，而要看准双方拳来脚往的空隙，伺机避实就虚猛袭欲攻击一方的空虚无备之处，如此就能很快平息这场争斗。如今魏国出兵攻打赵国，其精锐部队势必倾巢开赴战场，留在国内的一定是一些老弱病残，现在应避开兵力强大的围赵敌军，乘魏国国内兵力空虚，带兵快速直逼大梁，截断其交通要道，袭击其粮食辎重给养之地，这样一来，魏将庞涓必然会放弃攻打赵国而班师回魏自救，那时，我军便可占据有利地势打他个伏击。如此，我们不仅一举解救了赵国之围，又可重创挫败魏军。如此一举两得，何乐而不为？”田忌听了军师的精辟论述，连说妙计！妙计！遂发兵直逼大梁。
梁惠王闻知齐兵直袭大梁，十分惊恐，深怕齐兵与攻击襄陵的宋军对大梁形成夹击之势，便急令庞涓班师回救，以阻止齐军长驱直入。庞涓得令亲率主力星夜兼程急驰大梁，兵分三路对齐军应战。魏军的这三路兵马兵力悬殊很大，左军力量最强，中军次之，右军最弱。
与此同时，齐国军师孙膑获悉庞涓分兵三路急返大梁的情报之后，即让田忌一方面指派少数轻骑部队向西，直捣大梁城郊，另一方面，由田忌亲率主力急驰北上，埋伏在魏军归途必经的桂陵，即今山东省荷泽市东北，摆开阵势以逸待劳，只待魏军进入伏击圈，便给予迎头痛击。
为了确保全歼魏军，孙膑让田忌把齐兵按战斗力强弱分为上、中、下三路，接着，孙膑又提出了具体的作战方案：“让兵力最弱的下路同魏军最强大的左军交战，让中路同魏军的中军交战，让兵力最强的上路同魏军最弱的右军交战。形成前者敌强我弱、中者势均力敌、后者我强敌弱的局面。这样以来齐兵的下路和中路就可以占据有利地形，紧紧地咬住魏军不放，但决不与敌正面交锋、死打硬拼，而要想方设法钳制魏军，拖延时间，等待上路援军到来。同时，上路要采取速战速决的战术，打击魏军最弱的右军；歼敌后再与中路一起，合击魏军的中军。两路得胜后，再与下路协力，三路联手共击魏军的左军。这样，齐军在每一局部战场上，都形成了绝对优势。”田忌采纳了孙膑的作战方案，对魏军采取先弱后强、各个击破的战术，很快便取得了战争的主动权。
此时的魏军，由于旷日持久的与赵交战，阵亡兵员得不到补充，粮草供应日趋紧张，再加上长途跋涉，仓促应战，战斗力明显下降。三路兵马一经交战，魏军即陷入重围，左、中、右三军人马又不能互相救援，顷刻间即丢盔弃甲，溃不成军。庞涓眼看兵败如山倒，心慌意乱，六神无主，忽然又瞧见一面大旗，上书斗大的“孙”字，心头猛一惊，差点从马上摔下来。幸亏庞英、庞葱两员部将赶到杀出一条血路，把庞涓救出。庞涓侥幸捡了一条命，但却损失了两万名将士。齐国人大胜而归。
“围魏救赵”的桂陵之战，是中国历史上有名的战役之一。后人将其收录在“三十六计”中，并列为第二计。此计比喻避实就虚，借打击此处而解救彼处的危机，迫使敌人、对手退缩的战术或计策。这种辩证法的灵活运用，2000多年来不仅在战场上屡试屡爽，而且广泛地应用到了社会生活的不少方面。
