魏惠王时，位于中原东、西、南三面的齐、秦、楚相继转强，惠王又不能团结韩、赵共同对敌，所以陷入四面受敌的境地。在惠王即位的最初十几年，为与秦国争夺河西，先后交战六次。周显王元年（公元前368年），齐魏又在观津发生战争。周显王七年（公元前362年），魏再与韩、赵联军冲突。惠王为摆脱困境，继续发展文侯事业，恃其强大武力，采取先制服赵、韩，再图争霸中原的战略方针，发动了桂陵之战。

周显王十五年（公元前354年），魏惠王命将军庞涓率军八万，进攻赵国邯郸，攻势甚猛。赵国向齐国求救，齐威王召集大臣商议。齐相邹忌主张不救，段干朋则主张救，说：“不救不义，且不利”（《史记·卷四十六·田敬仲完世家》），可以先派兵去攻魏国襄陵（今河南睢县），以疲惫魏国，待魏军攻下邯郸，精疲力尽时攻魏救赵。威王采纳段干朋主张，派兵联合宋、卫会攻魏国襄陵（《古本竹书纪年》）。

秦乘魏国围攻邯郸之机，在元里（今陕西澄城县南）打败魏军，攻占了魏的少梁（今陕西韩城县西南），楚宣王也派景谷为将率兵救赵，攻夺了魏国睢水、浍水之间的地区。魏国围攻邯郸近一年，于周显王十六年（公元前353年）克邯郸。齐见疲魏的目的已达到，遂派田忌为主将，孙膑为军师，率八万精兵救赵。孙膑针对齐魏两军的形势，提出“批元捣虚”之计，即大军不北上直接救赵，而直捣魏国，“居其街路，冲其方虚”，迫使侵赵魏军“释赵而自救”（《史记·卷六十五·孙子吴起列传》）。后人称其为“围魏救赵”之计。齐军进入魏国后，孙膑又建议田忌首先派齐城、高唐两位都大夫去攻击魏国在东阳地区的重镇平陵（今山东曹县西北）。[3]平陵南有宋，北有卫，中途有魏国的币丘，攻城军粮道易被切断。而齐军偏偏选择这颗钉子来拔，目的是向魏军示疑，给魏军造成齐将“不知事”的假象。齐两位都大夫未到平陵就在中途被魏军打败，起到了疑敌的作用。田忌、孙膑为疑误魏军，又派轻车锐卒直攻魏都大梁，以激怒魏君，让他逼迫庞涓回军来救。同时，又分少量步兵随车兵而进，麻痹敌人，而主力大军则集结待命。庞涓果然中计，他凭借胜赵之余威，率军回救。见齐军的部署大不以为然，产生了骄傲轻敌的思想，令大军抛弃了辎重，昼夜不停地前进，并亲率轻兵奔袭齐军。田忌、孙膑则率齐军主力在桂陵（今山东荷泽东北）设伏截击，庞涓率追兵赶到，齐军突起一战而克，歼灭魏军，活捉庞涓。

桂陵之战是魏国由盛而衰的转折点，尽管在桂陵之战后，魏惠王凭借文侯奠定的雄厚基业，一度在襄陵打败了齐、宋、卫联军，稍稍挽回一些颓势，但从此走上下坡路则是确定无疑了。齐国在桂陵之战后，声威大振，开始取代魏国，成为中原诸侯中最强大的国家。