Keterampilan proses sains adalah keterampilan yang harus dimiliki siswa ketika melakukan kegiatan ilmiah. Guru maupun calon guru perlu melaksanakan proses pembelajaran yang dibekali dengan keterampilan proses sains siswa. Namun beberapa penelitian yang ditemukan menunjukkan bahwa keterampilan proses sains pada siswa masih dalam tahap rendah hingga sedang. Salah satu upaya untuk meningkatkan keterampilan proses sains adalah menggunakan model pembelajaran yang tepat. Penelitian mengenai penggunaan model pembelajaran untuk meningkatkan keterampilan proses sains pada pembelajaran biologi sudah banyak diteliti. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan meta-analisis mengenai model pembelajaran yang digunakan untuk meningkatkan keterampilan proses sains ditinjau dari model yang digunakan, jenjang kelas, dan materi yang digunakan. Penelitian yang digunakan merupakan penelitian kuantitatif dengan metode meta-analisis. Hasil dari penelitian ini adalah terdapat 15 model yang berpotensi meningkatkan keterampilan proses sains siswa SMA. Model yang memiliki efek paling besar meningkatkan keterampilan proses sains adalah model experiential learning dengan effect size 2,57. model yang berpotensi meningkatkan keterampilan proses sains ditinjau dari materi yang digunakan diantaranya : Materi kerja ilmiah dapat menggunakan model project based learning, materi keanekaragaman hayati dapat menggunakan free inquiry, materi jamur dapat menggunakan model Experiential learning dengan mind mapping, materi pencemaran lingkungan dapat menggunakan inquiry, jaringan tumbuhan dapat menggunakan group investigation, materi sistem pernafasan dan ekskresi dapat ditingkatkan melalui model Guided Inquiry dipadu Think Pair Share (TPS), materi sistem ekskresi dapat ditingkatkan melalui model Hypothetico-Deductive Reasoning Learning Cycle, materi sistem saraf dapat menggunakan Inquiry-Based Learning dengan Pendekatan JAS, materi ekologi, sel, sistem pencernaan dan sistem reproduksi dapat menggunakan problem based learning. Effect size tertinggi pada kelas X adalah model experiential learning dengan mind mapping dengan effect size 2,57 sedangkan untuk kelas XI adalah model problem based learning dengan effect size 1,61.