孙膑的先祖是陈国公子陈完，陈完的曾孙陈无宇有子陈书，因讨伐莒国有功，被齐景公赐姓孙，改名孙书，封于乐安作为食邑，是妫姓孙氏的始祖。孙书之子孙凭生孙武，孙武因躲避齐国国内发生的陈、鲍、高、国四族之乱而出奔吴国，有子三人，孙驰、孙明和孙敌。次子孙明有子孙顺，孙顺有子孙机，孙机有子孙操，孙操即为孙膑之父。
孙膑曾与庞涓为同窗，二人一起拜师学习兵法。 庞涓后来出仕魏国，担任了魏惠王的将军，但是他认为自己的才能比不上孙膑，于是暗地派人将孙膑请到魏国加以监视。孙膑到魏国后，庞涓嫉妒他的才能，于是捏造罪名将孙膑处以膑刑和黥刑，砍去了孙膑的双足 并在他脸上刺字，想使他埋没于世不为人知。当齐国使者出使至魏国首都大梁（今河南省开封市）时，孙膑以刑徒的身份秘密拜见齐国使者，用言辞打动了他。齐国使者觉得孙膑不同凡响，于是偷偷地用车将他载回齐国。逃奔到齐国的孙膑得到了田忌的赏识，于是他寄居于田忌门下担任门客。
1972年，在山东省临沂市银雀山汉墓同时出土了竹简本的《孙子兵法》和《孙膑兵法》，改变了学术界的认识。现存的《孙膑兵法》由出土的竹简整理而成，分上下两编共三十篇。学术界认为上编是在孙膑著作和言论的基础上由其弟子辑录、整理而成；下编在内容上虽与上编类似，但在编撰体例上存在不同，是否为孙膑及其弟子所著尚无充分的证据。
