This research is based on problems in the learning process of Islamic education (PAI) that is still focused on the side of educators. Hence it needs seriousness to create PAI learning that covers all aspects, including students, social and geographical environment. This study aims to determine the implementation of Robert M. Gagne's cognitive theory in PAI learning at the Al-Qur'an Science High School (SMA Sains Al-Qurán) in Yogyakarta. Conducted in qualitative research with a psychological approach and using the cognitive theory of Gagne's view, research data was collected through the observations to schools, interviews with PAI teachers, and relevant documentation. The results of this study note that the application of cognitive theory in the PAI learning successfully done through the nine instructional events of Robert M. Gagne (gaining attention, informing learners of the learning objectives, stimulating the recall of prior learning, presenting the stimulus of content, providing learning guidance, eliciting performance, providing feedback, assessing performance, and enhancing retention/transfer). Keywords: cognitive theory, Islamic education learning, nine instructional events, Robert M. Gagne.   Penelitian ini didasarkan pada permasalahan dalam proses pembelajaran Pendidikan Agama Islam (PAI) yang masih terfokus pada sisi pendidik. Oleh karena itu perlu keseriusan untuk menciptakan pembelajaran PAI yang mencakup semua aspek, termasuk siswa, lingkungan sosial dan geografis. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui implementasi teori kognitif Robert M. Gagne dalam pembelajaran PAI di SMA Sains Al-Qur’an Yogyakarta. Dilakukan dalam penelitian kualitatif dengan pendekatan psikologis dan menggunakan teori kognitif pandangan Gagne, data penelitian dikumpulkan melalui observasi ke sekolah, wawancara dengan guru PAI, dan dokumentasi yang relevan. Hasil penelitian ini mencatat bahwa penerapan teori kognitif dalam pembelajaran PAI berhasil dilakukan melalui sembilan langkah pembelajaran Robert M. Gagne (mendapatkan perhatian, menginformasikan peserta didik tentang tujuan pembelajaran, merangsang ingatan pembelajaran sebelumnya, menghadirkan rangsangan dari pembelajaran sebelumnya, memberikan bimbingan belajar, memantik kinerja, memberikan umpan balik, menilai kinerja, dan meningkatkan retensi dan transfer pengetahuan). Kata Kunci: pembelajaran PAI, Robert M. Gagne, sembilan langkah pembelajaran, teori kognitif