Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi berubah dan semakin kompetitif. Diperlukan proses pembelajaran yang memfasilitasi bukan menghambat kemampuan kognitif dengan cara melaksanakan proses pembelajaran yang memberi kebebasan peserta didik dalam proses berpikirnya atau dalam proses belajarnya. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh  pembelajaran STEM berbasis lesson study  terhadap kemampuan kognitif peserta didik. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah kuasi eksperimen . Sampel penelitian terdiri 90 peserta didik dari dua sekolah menengah atas di Kabupaten Aceh Selatan. Parameter yang diukur adalah kemampuan kogntitif dengan menghitung normalisasi gain (n-gain). Instrumen yang digunakan adalah pretes dan postes berbentuk soal pilihan ganda untuk mengukur kemampuan kognitif. Analisis data untuk kemampuan kognitif diuji dengan uji beda dua rata-rata (uji-t). Hasil penelitian menunjukkan n-gain kemampuan kogntif kelas eksperimen sebesar 0,81 termasuk kategori tinggi, sedangkan n-gain kelas kontrol sebesar 0,71. Hasil uji beda  rata-rata n-gain antara kedua kelas pada taraf signifikasi 95%,  menunjukkan  t-hitung 3,46 ˃ t-tabel 1,98 yang berarti terdapat perbedaan signifikan peningkatan kemampuan kognitif pada kelas kontrol dengan kelas eksperimen. Kesimpulan penelitian ini adalah pembelajaran STEM berbasis lesson study meningkatkan kemampuan kognitif  secara signifikan