Penelitian ini didasarkan pada rendahnya keterampilan berpikir kritis peserta didik kelas XI SMA Negeri 12 Semarang khusunya pada materi kesetimbangan kimia. Penelitian ini dilakukan karena pembelajaran metode teacher centered sehingga keterampilan berpikir kritis peserta didik tidak terbangun. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model problem based learning dengan pendekatan STEM pada materi kesetimbangan kimia terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik. Penelitian ini merupakan penelitian kuantitatif dengan jenis penelitian quasi eksperiment berdesain non-equivalent control group design dengan teknik pengambilan sampel yaitu cluster random sampling. Sampel yang digunakan penelitian adalah peserta didik kelas XI F.7 sebagai kelas kontrol dan peserta didik kelas XI F.8 sebagai kelas eksperimen. Teknik pengumpulan data pada penelitian ini menggunakan instrumen tes, observasi, wawancara, angket dan dokumentasi. Data penelitian didapatkan melalui hasil pre-test dan post-test kelas kontrol dan kelas eksperimen yang selanjutnya dianalisis dengan menggunakan uji t. berdasarkan analisis data tahap akhir diperoleh hasil uji hipotesis menggunakan uji independent sample t-test pada data post-test yang menunjukkan nilai signifikasi (2-tailed) sebesar 0,000 dengan taraf signifikasi 5% (α = 0,05). Nilai signifikasi 0,000 < 0,05 maka hipotesis alternatif (Ha) diterima sedangkan hipotesis nol (H0) ditolak. Hasil effect size yang didapatkan sebesar 1,0 yang menunjukkan bahwa model PBL-STEM memiliki pengaruh yang tinggi terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik pada materi kesetimbangan kimia.