Abad 21 menuntut peserta didik memiliki berbagai kompetensi untuk menghadapi tantangan globalisasi dan SDGs. Terdapat beberapa kompetensi yang harus dikuasai oleh setiap individu peserta didik, diantaranya yaitu keterampilan berpikir kritis dan sustainability awareness. Salah satu model pembelajaran yang dapat memberdayakan kompetensi tersebut adalah Problem Based Learning (PBL) berorientasi Education for Sustainable Development (ESD). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis perbedaan keterampilan berpikir kritis dan sustainability awareness siswa yang menggunakan model PBL berorientasi ESD dan Dirrect Intruction (Pembelajaran langsung) dengan metode ceramah diskusi. Jenis penelitian ini adalah kuasi eksperimen dengan nonequivalent control group design. Teknik pengambilan sampel menggunakan purposive sampling dengan sampel peserta didik kelas X-A1 sebagai kelas eksperimen dan peserta didik kelas X-A2 sebagai kelas kontrol. Teknik dan instrumen pengumpulan data berupa lembar wawancara, lembar observasi, soal (keterampilan berpikir kritis), dan angket (sustainability awareness). Uji hipotesis menggunakan ANACOVA. Berdasarkan hasil penelitian, menunjukkan bahwa (1) terdapat pengaruh penerapan model PBL berorientasi ESD terhadap keterampilan berpikir kritis siswa dengan nilai signifikansi 0,000 < 0,05 (2) terdapat pengaruh penerapan model PBL berorientasi ESD terhadap sustainability awareness siswa dengan nilai signifikansi 0,000 < 0,05. Hal ini disebabkan karena sintaks PBL berorientasi ESD dapat mempengaruhi indikator keterampilan berpikir kritis dan sustainability awarenes.