Pembelajaran biologi pada MAN 3 di Kabupaten Bireuen belum mengembangkan keterampilan berpikir kritis. Peserta didik belum mampu mengnalisis suatu masalah dan menemukan ide-ide baru atau membuat kesimpulan terhadap suatu permasalahan melaui pengalaman penyelidikan. Penggunaan peralatan praktikum juga kurang memadai khususnya materi pencemaran lingkungan. Ini dibuktikan dengan peralatan yang digunakan untuk melakukan praktikum materi pencemaran lingkungan belum lengkap.  Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui peningkatan keterampilan berpikir kritis dengan menggunakan STEM pada topik pencemaran lingkungan di kelas X MAN 3 di Kabupaten Bireuen. Pendekatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kuantitatif, jenis penelitian adalah penelitian terapan, metode yang digunakan quasi eksperimen, dengan design nonrandomized  control group pretest posttest design. Populasi berjumlah 116 orang peserta didik dan sampel berjumlah 91 orang peserta didik. Instrumen yang digunakan yaitu tes pilihan ganda beralasan disertai dengan rubrik. Analisis data terdiri dari uji normalitas, uji homogenitas, dan uji independen t-tes. Hasil penelitian implementasi STEM  dapat meningkatkan keterampilan berpikir kritis pada materi pencemaran lingkungan di kelas X MAN 3  Kabupaten Bireuen. Disamping itu, terdapat perbedaan KBK peserta didik antara kelas eksperimen dan kelas kontrol pada materi pencemaran lingkungan di kelas X MAN 3  Kabupaten Bireuen.