Tujuan dari penelitian ini adalah (1) untuk mengetahui manakah yang memberikan prestasi belajar matematika lebih baik, pembelajaran dengan model pembelajaran kooperatif tipe Numbered Heads Together (NHT) atau dengan model pembelajaran konvensional; (2) untuk mengetahui manakah yang memberikan prestasi belajar matematika lebih baik, siswa dengan kemampuan awal tinggi, sedang, atau rendah; dan (3) untuk mengetahui apakah terdapat interaksi antara model pembelajaran dengan kemampuan awal siswa terhadap prestasi belajar matematika. Penelitian ini adalah eksperimen semu dengan metode pengumpulan data melalui teknik tes dan dokumentasi. Subjek penelitian adalah siswa kelas XI SMK Bina Patria 1 Sukoharjo tahun ajaran 2019/2020. Pengambilan sampel dilakukan secara cluster random sampling. Uji hipotesis dengan analisis variansi dua jalan dengan sel tak sama dilanjutkan komparasi ganda dengan taraf signifikan 5%. Jadi dapat disimpulkan bahwa (1) prestasi belajar siswa dengan model pembelajaran NHT lebih baik daripada prestasi belajar siswa dengan model pembelajaran konvensional; (2) tidak terdapat perbedaan prestasi belajar matematika siswa pada siswa dengan kemampuan awal tinggi, sedang dan rendah; dan (3) tidak terdapat interaksi antara model pembelajaran dengan kemampuan awal siswa terhadap prestasi belajar matematika. Kata Kunci: Model Pembelajaran Kooperatif, Model Pembelajaran Kooperatif Numbered Head Together, Prestasi Belajar, Kemampuan Awal.