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。但唐代孙壬林自述家族世系的碑文却记载孙膑是卫武公的后代。