Pembelajaran abad-21 menuntut peserta didik untuk menguasai keterampilan proses sains dan regulasi diri. Keterampilan proses sains dan regulasi diri memiliki peranan penting dalam mendukung proses belajar peserta didik. Namun, hasil prariset menunjukkan bahwa keterampilan proses sains dan regulasi diri peserta didik di MA Matholi’ul Huda Troso Jepara masih dalam kategori sedang dengan nilai persentase 35,42% dan 60,81%. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis pengaruh model pembelajaran Predict, Observe, Explain, and Do (POED) terhadap keterampilan proses sains dan regulasi diri peserta didik kelas X MA. Penelitian menggunakan metode quasi experiment dengan nonequivalent control group design. Teknik pengambilan sampel menggunakan teknik purposive sampling dengan sampel peserta didik kelas X-C sebagai kelas eksperimen dan peserta didik kelas X-E sebagai kelas kontrol. Instrumen yang digunakan dalam penelitian ini adalah tes dan angket. Uji hipotesis menggunakan uji ancova. Hasil penelitian menunjukkan bahwa (1) terdapat pengaruh model pembelajaran predict, observe, explain, and do (POED) terhadap keterampilan proses sains peserta didik pada pembelajaran biologi kelas X di MA Matholi’ul Huda Troso Jepara dengan nilai signifikansi 0,005 < 0,05; (2) terdapat pengaruh model pembelajaran predict, observe, explain, and do (POED) terhadap regulasi diri peserta didik pada pembelajaran biologi kelas X di MA Matholi’ul Huda Troso Jepara dengan nilai signifikansi 0,000 < 0,05.