Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model problem based learning terintegrasi STEM terhadap kemampuan berpikir kritis siswa. Metode penelitan menggunakan control group pretest-postest design. Analisis data menggunakan uji uji N-gain untuk mengetahui peningkatan kemampuan berpikir kritis siswa dan uji t untuk mengetahui pengaruh model problem based learning terintegrasi STEM terhadap kemampuan berpikir kritis siswa. Sampel dalam penelitian ini diperoleh dengan teknik cluster random sampling dari populasi seluruh siswa SMA N 1 Weleri. Hasil uji N-gain kelas eksperimen sebesar 0,56 (skategori sedang) lebih tinggi dari pada kelas kontrol sebesar 0,33 (kategori sedang). Uji hipotesis dengan menggunakan uji 1 pihak kanan dengan kriteria Ha diterima jika t hitung > t tabel dan Ha ditolak jika t hitung ≤ t tabel. Hasil uji t menunjukkan t hitung 8,23 > t kritis 1,98 dengan taraf signifikansi 5%. Berdasarkan hasil uji hipotesis t hitung > t tabel maka penelitian tersebut dapat disimpulkan penerapan model problem based learning terintegrasi STEM mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kemampuan berpikir kritis siswa.