Peserta didik perlu dibekali keterampilan Abad 21, seperti keterampilan berpikir kritis dan pemecahan masalah. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh model pembelajaran Problem-Based Learning (PBL) terhadap keterampilan berpikir kritis dan pemecahan masalah peserta didik kelas X di SMAN 5 Kota Tegal. Kondisi awal menunjukkan bahwa rendahnya keterampilan berpikir kritis dan pemecahan masalah peserta didik disebabkan oleh minimnya kebiasaan analisis, pemahaman konsep yang lemah, dan partisipasi pasif dalam diskusi. Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif dengan metode kuasi eksperimen dan desain nonequivalent control group design. Sampel penelitian terdiri dari 70 peserta didik kelas X.1 (kontrol) dan X.2 (eksperimen) di SMAN 5 Kota Tegal. PBL secara signifikan meningkatkan kedua keterampilan tersebut, ditunjukkan oleh nilai signifikansi uji Ancova sebesar 0,000. Rata-rata nilai berpikir kritis kelompok PBL kelas eksperimen (63,34) lebih tinggi dibandingkan kelompok kontrol (56,19). Demikian pula, rata-rata nilai pemecahan masalah kelas eksperimen (79,22) lebih tinggi dibandingkan kelas kontrol (73,68). Model PBL secara signifikan meningkatkan keterampilan berpikir kritis dan pemecahan masalah peserta didik kelas 10 dalam materi perubahan lingkungan, terbukti dari uji statistik Ancova yang menunjukkan nilai signifikansi < 0,05.