Model pembelajaran yang melatih penalaran siswa belum dilaksanakan dalam proses pembelajaran karena hanya berfokus pada aspek kognitif. Selain itu, kurangnya implementasi pembelajaran berproses sains pada mata pelajaran kimia di sekolah menyebabkan kurang berkembangnya kemampuan literasi sains siswa. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model pembelajaran nature of science (NOS) terhadap kemampuan literasi sains siswa pada materi hukum dasar kimia. Metode penelitian yang digunakan adalah penelitian kuantitatif dengan desain quasi experimental dan model non-equivalent control group design. Sampel penelitian yaitu siswa MAN 2 Kota Semarang kelas X D sebagai kelas kontrol dan X C sebagai kelas eksperimen yang didapatkan menggunakan teknik cluster random sampling. Teknik pengumpulan data menggunakan tes, non tes berupa wawancara dan dokumentasi. Hasil penelitian tahap akhir diperoleh bahwa hasil analisis uji t-test menunjukkan signifikansi sebesar 0,000, menegaskan bahwa terdapat pengaruh model pembelajaran NOS terhadap kemampuan literasi sains siswa pada materi hukum dasar kimia. Hasil uji effect size diperoleh nilai Cohen’s d sebesar 2,159 menunjukkan kriteria pengaruh yang sangat besar, artinya model pembelajaran NOS memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap kemampuan literasi sains siswa.