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桂陵之战后，魏国虽元气大伤，但经过几年的休整后，魏国逐渐开始恢复对外进攻。因为《史记》中对于魏惠王和齐威王年代的错误记载，导致对于马陵之战的时间争议颇多，不过通过和《竹书纪年》相关内容比对可以基本确定，马陵之战发生在逢泽会盟后一年。逢泽会盟应是马陵之战的直接起因。魏公决定称王，在宋国都城外摆出天子仪仗，效法齐桓公九合诸侯，自称“夏王”，包括秦国在内的列国皆赴会，但是韩国、齐国并没有赴会，于是魏惠王下令襄疵领兵攻打韩国，后齐国出兵攻魏救韩，魏惠王就派遣太子申领兵与齐国战于马陵。马陵之战的时间点应该是魏惠王二十七年十二月，结束于次年。
根据《竹书纪年》的记载，“梁惠成王二十八年，穰疵率师及郑孔夜战于梁、赫，郑师败逋。”魏国派遣襄疵攻打韩国汝南的梁、赫，韩国派将军孔夜应战，韩国战败，后求救于齐，于是就有了司马迁笔下，齐国在韩国五战全败后才出兵救援的记载。《战国策》中也有《南梁之难》一篇描述此役。
南梁在汝河上游，秦朝后称梁县，今属汝州。韩魏两国在此暴发激战，双方统帅是韩孔夜和襄疵，并非《史记孙子吴起列传》中所说，是庞涓领兵攻打韩国。
韩国得到齐国答应救援的允诺，人心振奋，竭尽全力抵抗魏军进攻，但结果仍然是五战皆败，只好再次向齐告急。齐威王抓住魏、韩皆疲的时机，任命田忌为主将，田婴为副将率领齐军直趋大梁。孙膑在齐军中的角色，一如桂陵之战时那样：充任军师，居中调度。
但根据《战国策南梁之难》记载，韩国并非得到齐国允诺才主动出击五次战败，而是齐国暂时坐山观虎斗，等到韩国五次战败后才出兵救援。献计者也是张丐，并非孙膑或田忌。魏国自己的史书《竹书纪年》中，也没有记载孙膑、田忌和庞涓参与了此战，马陵之战双方的统帅是魏太子申和田盼，魏国眼见胜利在望之际，又是齐国从中作梗，其恼怒愤懑自不必多说。于是决定放过韩国，转将兵锋指向齐军。其含义不言而喻：好好教训一下齐国，省得它日后再同自己捣乱。魏惠王待攻韩的魏军撤回后，即命太子申为上将军，庞涓为将，气势汹汹扑向齐军，企图同齐军一决胜负。（魏国兵力没有记载）
齐军已进入魏国境内纵深地带，魏军尾随而来，孙膑针对魏兵蔑视齐军的实际情况，在认真研究了战场地形条件之后，定下减灶诱敌，设伏聚歼的作战方针，造成在魏军追击下，齐军士卒大批逃亡的假象，并在马陵利用有利地形选择齐军中1万名善射的弓箭手埋伏于道路两侧，规定到夜里以火光为号，一齐放箭，并让人把路旁一棵大树的皮剥掉，在上面书写“庞涓死于此树之下”字样。
庞涓在接连3天追下来以后，见齐军退却避战而又天天减灶，武断地认定齐军斗志涣散，士卒逃亡过半。于是命令部队丢下步兵和辎重，只带着一部分轻装精锐骑兵，昼夜兼程追赶齐军至马陵，见剥皮的树干上写着字，但看不清楚，就叫人点起火把照明。字还没有读完，齐军便万弩齐发，给魏军以迅雷不及掩耳的打击，魏军顿时惊恐失措，大败溃乱。庞涓智穷力竭，眼见败局已定，遂愤愧自杀。齐军乘胜追击，又连续大破魏军，并俘虏了魏军主帅太子申。
孙膑在马陵之战所用的战略，其实便是孙子兵法“始计篇”所说的“能而示之不能，用而示之不用”以及“兵势篇”所说的“以利动之，以卒待之”等虚实原则于实战的运用。
《史记魏世家》记载，此一战是魏国攻伐韩国，后韩国向齐国求援，齐国采用孙膑计谋，第二次围魏救赵，令魏国大怒，以庞涓为将攻打齐国。据《史记田敬仲完世家》记载，此一战是魏国攻打赵国，韩国因与赵国亲近而来救援，韩赵联军与魏军对峙，战局不利，而向齐国求援。据《史记孙子吴起列传》记载，这一战是魏与赵攻韩，而非韩赵联军抗魏。同为史记，三本自相矛盾。另一个佐证是《史记韩世家》记载“八年，申不害相韩，脩术行道，国内以治，诸侯不来侵伐。”而这段期间并没有和魏国交战的记载，反而有“诸侯不来侵伐”的记载。四本相互对应，两本都没提到韩国参与了马陵之战，一本提到是韩赵共抗魏，仅有一本是提到魏国攻打韩国。
齐国在桂陵之战，以及在随后的马陵之战中的大获全胜，并援救了赵韩两国，使得其威望上升，挟战胜之威，齐国力量迅速发展，成为当时数一数二的强大国家，称霸东方。魏国被迫对齐国俯首称臣，并且在徐州与齐公相王，是为齐威王。不过称王之举也招来南方霸主楚国的记恨，楚国马上出兵占领徐州，齐国连连战败，被迫乞和。
魏国在桂陵之战与马陵之战遭受重创后，军事实力从根本上被削弱，又被秦国乘虚而入，从此丧失了独霸中原的能力，于是开始寻求组建联盟以共同抗击齐国、秦国的夹击，开启了合纵连横的时代。
这一战对韩国无本质影响，韩国本想借此削弱完全包围自己的魏国，目的虽然达到了，但魏国衰败，齐国、秦国和楚国对中原的觊觎，使得韩国唇亡齿寒，不得不选择继续与魏国站在一起，抵御强敌。
逢泽会盟，秦国支持魏公称王招致魏国被群起而攻之，秦国坐收渔利，不出一兵就令魏国国力大大衰弱，魏国从此再也无力独自阻止秦国向东的扩张。
齐魏马陵之战是《孙子兵法》和《孙膑兵法》的具体运用，闪烁着孙膑军事思想的光辉。作为中国古代军事史上的一个著名战例，齐魏马陵之战知名度高，传播范围广，影响大，不仅有极高的军事研究价值，而且对新时期政治、经济、文化、外交都有重要的借鉴意义。
马陵之战的相关争议非常多。
首先是因为《史记》中对魏惠王和齐威王徐州相王后改元记载错误，改元后的年号当成新王年号，结果导致马陵之战时间被记载为魏襄王和齐宣王之时，这也导致对于马陵之战时间点争议颇多。
其次是将领争议，马陵之战双方交战的主要将领究竟是孙膑和庞涓，还是田盼和太子申？千百年来众说纷纭，没有定论。因为《竹书纪年》记载魏国攻打韩国的是襄疵，而攻打齐国的是太子申，所以《孙子吴起列传》中所说，庞涓领兵攻打韩国，被孙膑偷袭后方而回师也就存疑了。
第三是动机争议。魏国是被偷袭后方而从韩国回师抵抗齐国入侵？这一战明确叫做“马陵之战”，而马陵地点根据一些说法，应该在卫国濮阳以北，在齐国都城临淄和魏国都城大梁之间的要道上，当时属于齐国，而不属于魏国，且远离大梁。魏国抵御齐国入侵又怎会在齐国境内？另外，太子申领兵与齐国交战前，曾路过宋国外黄，被外黄徐子规劝不要出战，而外黄是今商丘民权县，在今开封的大梁以东，从大梁出兵前往马陵并不需要路过外黄。这也就引出了另一个争议，那就地点争议。
关于马陵地点的另一种说法，在山东郯城，当时属于齐国城阳都，魏国抵御齐国不可能到如此远的地方，而且这里也不在临淄和大梁之间。但如果魏国是主动去攻打齐国城阳都，那出兵时经过位于大梁城东的宋国外黄也就都合情合理了。郯城境内的马陵道遗址，也确实符合《孙子吴起列传》中所说的“马陵道陕，而旁多阻隘，可伏兵”
因为争议过多，所以古今学者甚至有人认为马陵之战根本不存在，可能是司马迁找到两份年代相近，过程也相近的齐魏交战史料，但两份史料不同点也颇多，所以拆分成两战处理，这便是史记中的桂陵之战与马陵之战。但这种说法没有得到普遍认可。
范县说（与濮县说、莘县说、鄄城说、濮州说系同一种说法）
东晋虞喜在《志林》述道：“马陵在濮州鄄城县东北六十里，有陵，涧谷深峻，可以置伏。”唐代张守节撰《史记正义》引用虞喜之说，并加：“按：庞涓败即此也。”由此产生了马陵战址鄄城说。为纪念马陵之战，保护马陵之战古战场遗址，2005年莘县于此修建了马陵之战纪念馆。
晋刘宋人徐广在《史记音义》述道：“马陵，在魏州元城县东南一里。”徐广的说法源于晋杜预《春秋左传注疏》。杜注：“卫地，阳平元城县东南有地名马陵。”后林尧叟又在杜注后加注：“史记，马陵道狭，而旁多阻碍，可伏兵。”从而将元城马陵与马陵战址联系在一起。史记三家注的另外两家即刘宋的裴骃(撰《史记集解》)和唐代司马贞(撰《史记索隐》)都引用徐广说“在元城”，于是在史记三家注中就形成了鄄城说与元城说并存的局面。
公元前341年齐魏马陵之战遗址位于今河南范县老城附近。
