Abad ke-21 ditandai dengan pentingnya pendidikan dalam mengembangkan keterampilan hidup (life skills) salah satunya keterampilan berpikir kritis untuk menghadapi perubahan global yang pesat. Salah satu faktor yang dapat menunjang keterampilan berpikir kritis siswa adalah proses pembelajaran di sekolah. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model pembelajaran Problem Based Learning (PBL) dengan pendekatan STEM berdiferensiasi terhadap keterampilan berpikir kritis siswa pada materi hukum dasar kimia kelas X SMA Negeri 7 Surakarta. Teknik pengambilan sampel yang digunakan adalah cluster random sampling dan terpilih dua kelas. Pengumpulan data dilakukan dengan menggunakan soal posttest berbentuk esai berkaitan dengan keterampilan berpikir kritis siswa. Kemudian hasil dianalisis dengan uji Mann-Whitney dan dibandingkan dengan hasil diagnostik kognitif awal pembelajaran. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa rerata hasil posttest kelas eksperimen lebih tinggi daripada kelas kontrol (73,00 > 64,4) dan dari uji hipotesis menghasilkan nilai signifikansi 0,004 < 0> Problem Based Learning (PBL) dengan pendekatan STEM berdiferensiasi terhadap keterampilan berpikir kritis siswa. Siswa di kelompok mahir dapat konsisten dalam keterampilan berpikir kritis, sementara siswa kelompok intervensi dan sedang dapat mengasah keterampilannya melalui pembelajaran ini, sehingga hal ini menunjukkan korelasi positif antara keterampilan berpikir kritis dan pembelajaran PBL-STEM-Berdiferensiasi.
