魏襄王七年至八年（前312年–311年），秦、魏、韩与楚、齐之间爆发丹阳蓝田之战，结果秦、魏、韩取得大胜。
魏襄王九年（前310年），魏相田需去世。楚相昭鱼担心张仪、公孙衍、田文中将有一人相魏，例如公孙衍相魏将亲近韩国，对楚国不利，因此就支持魏王任用魏太子魏遫（魏昭王）为相。
一说在秦惠文王更元十四年（魏襄王八年，前311年）或稍后，公孙衍曾再次西入秦为官。他先是联合甘茂、樗里疾等人排挤走了张仪，后又与甘茂发生矛盾。约秦武王三年（魏襄王十一年，前308年），秦武王曾想任公孙衍为秦相，但由于甘茂（一说樗里疾）诬陷公孙衍泄露了与秦王的谈话，秦武王很生气，便驱逐公孙衍。
但公孙衍并未就此离秦，在宜阳之战相持阶段，他与樗里疾一同谗害甘茂，并在秦昭王元年（魏襄王十三年，前306年）仍在秦国从事秦魏联合的工作。但杨宽分析相关材料，认为公孙衍并未二次入秦；他指出一些策文与事实不符、为拟托之作，另一些策文则是因字音相近将公孙显（公孙郝）错误记作了公孙衍。
此后，公孙衍回到魏国为官。魏昭王三年（前293年）伊阙之战后，魏昭王让年迈的公孙衍出使秦国，卑辞割地求和，其后公孙衍事迹未见学界采信的史书记载。
公孙衍是战国中期着名的纵横家，其毕生的事业可自外交、军事两个方面论述。
公孙衍在战国首先提出“合纵”的概念，他的合纵和张仪的连横共同拉开了合纵连横的序幕。他的外交活动包括：在徐州相王时期提出“阳与齐而阴结于楚”的军事外交策略，改善魏与齐、楚之间的关系；在魏惠王后元十二年（前323年）发起“五国相王”活动，以积极推进合纵抗秦的军事外交策略的全面实施；在魏惠王后元十四年（前321年）破坏齐与燕、赵、楚之间密谋外魏的计划；在魏惠王后元十六年（前319年）相魏，并在次年发动一场五国合纵伐秦军事行动；在魏襄王四年（前315年）担任韩相，并与魏相田文再谋合纵军事外交活动，后以岸门之战的失利告终。
公孙衍首倡的合纵虽然失败了，但影响是深远的。在公孙衍的邀请下，孟尝君田文成为合纵的合作者和继任者，在他身后继续合纵活动。后来又有苏秦等人继续谋划发动五国合纵伐秦的军事行动。
公孙衍在担任将领和组织合纵的过程中，曾多次领兵征战。其主要军事活动包括：
秦惠文王五年至七年（魏惠王后元二年至四年，前333年至前331年），担任秦将，在雕阴之战中大败魏军，帮助秦国攻取河西郡；
魏惠王后元六年（前329年），担任魏将，在陉山之战中击败楚军；
魏惠王后元十年（前325年），作为魏将，联合齐军攻取赵的平邑、新城；
魏惠王后元十二年（前323年），在楚魏襄陵之战中不敌楚军，丢失了八个邑；
魏襄王元年（前318年），担任魏相，发动五国合纵伐秦，但失利退兵。
韩宣惠王十八年至十九年（魏襄王四年至五年，前315年至前314年），担任韩相，在岸门之战中被秦军大败。
历史评价
景春：公孙衍、张仪岂不诚大丈夫哉？一怒而诸侯惧，安居而天下熄。
孟子：以顺为正者，妾妇之道也。
韩非：犀首，天下之善将也，梁王之臣也。
刘向：苏秦、张仪、公孙衍、陈轸、代、厉之属，生纵横短长之说，左右倾侧。苏秦为纵，张仪为横，横则秦帝，纵则楚王，所在国重，所去国轻。
司马迁：陈轸挟权，犀首骋欲。如何三晋，继有斯德。
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