Sistem pendidikan nasional pada abad ke-21 menghadapi tantangan yang sangat kompleks dalam menyiapkan sumber daya manusia (SDM) yang mampu bersaing di era global. Salah satu keterampilan atau kemampuan yang dibutuhkan peserta didik untuk mampu bersaing di Abad 21 adalah kemampuan menalar. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kemampuan berfikir tingkat tinggi siswa berpendekatan siklus belajar 5E pada materi virus kelas X Semester Gasal di SMA N 16 Semarang. Penelitian ini berdasarkan teori konstruktivisme yang mengarahkan agar peserta didik menemukan sendiri informasi atau pengetahuan yang diharapan, kemampuan menalar siswa dapat meningkat jika siswa mampu mengkonstruk pengetahuannya sendiri melalui pemahaman yang mendalam. Proses pembelajaran yang melibatkan siswa untuk berpartisipasi aktif akan melibatkan proses kognitif yang potensial dalam merangsang perkembangan intelek siswa. Penilaian berbasis pada soal HOTS (Higher Order Thinking Sklill) sebanyak 10 soal telah dilakukan uji kelayakan oleh ahli materi biologi. Selanjutnya dilakukan pemberian pretest dan posttest. Kemudian diuji keefektifannya dengan menggunakan uji t-test dan N-Gain. Hasil penelitian perhitungan t-test menunjukkan thitung = 6,116 dan ttabel = 1,671 , karena thitung>ttabel maka Ho ditolak dan Ha diterima. Sedangkan analisis data tahap akhir dengan uji t pihak kanan yang menghasilkan thitung = 0,482 dan ttabel =1,668 disimpulkan thitung<ttabel menunjukkan adanya persamaan rata-rata antar kelas. Begitupun pada uji N-Gain, nilai N-Gain pada kelas eksperimen sebesar 0,48 (kategori sedang) lebih tinggi dibandingkan dengan nilai N-gain pada kelas kontrol sebesar 0,15 (kategori rendah). Presentase ketuntasan nilai kelas eksperimen sebesar 70 % lebih tinggi dibandingkan dengan kelas kontrol sebesar 50% maka penggunaan pendekatan pembelajaran siklus 5E efektif meningkatkan kemampuan berfikir tingkat tinggi.