Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui: (1) pengaruh model pembelajaran case based learning terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik, (2) pengaruh motivasi belajar terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik, dan (3) interaksi antara model pembelajaran dan motivasi belajar terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik. Penelitian ini merupakan penelitian kuantitatif dengan metode quasi experiment menggunakan desain faktorial 2×3. Sampel penelitian ditentukan menggunakan teknik cluster random sampling. Teknik pengumpulan data dilakukan dengan tes keterampilan berpikir kritis berbentuk uraian berbasis two-tier dan angket motivasi belajar menggunakan skala Likert. Teknik uji validitas instrumen dilakukan dengan validasi isi melalui expert judgement oleh dua orang ahli yang dihitung menggunakan rumus Gregory, kemudian dilanjutkan dengan uji coba instrumen. Instrumen tes dan angket yang telah dinyatakan valid selanjutnya diuji menggunakan uji validitas butir dengan korelasi Product Moment. Instrumen tes dianalisis kualitas butir soal yang meliputi tingkat kesukaran dan daya beda soal. Uji reliabilitas instrumen tes dan angket dihitung menggunakan rumus Alpha Cronbach. Analisis data penelitian meliputi uji prasyarat dan uji hipotesis. Uji prasyarat yang digunakan meliputi uji normalitas dan uji homogenitas, sedangkan uji hipotesis menggunakan analisis variansi dua jalan dengan sel tak sama dan dilanjutkan dengan uji komparasi ganda metode Scheffe. Hasil penelitian menunjukkan bahwa terdapat pengaruh model pembelajaran terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik dengan nilai F = 42,265 dan p < 0,001. Nilai Partial Eta Squared sebesar 0,364 menunjukkan pengaruh dalam kategori besar dan nilai Cohen's d sebesar 1,289 menunjukkan perbedaan rerata yang besar antara kelompok eksperimen dan kelompok kontrol. Terdapat pengaruh motivasi belajar terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik dengan nilai F = 32,900 dan p < 0,001 serta nilai Partial Eta Squared sebesar 0,471 yang menunjukkan pengaruh dalam kategori besar. Terdapat interaksi antara model pembelajaran dan motivasi belajar terhadap keterampilan berpikir kritis peserta didik dengan nilai F = 4,480 dan p = 0,015 serta nilai Partial Eta Squared sebesar 0,108 yang menunjukkan pengaruh dalam kategori sedang. Temuan penelitian menunjukkan bahwa model pembelajaran case based learning lebih efektif dibandingkan direct instruction dalam meningkatkan keterampilan berpikir kritis peserta didik pada seluruh kategori motivasi belajar.