Penelitian ini dilatarbelakangi oleh rendahnya kemampuan berpikir kritis siswa dalam pembelajaran matematika yang ditunjukkan melalui kesulitan menganalisis permasalahan, mengevaluasi argumen, dan menarik kesimpulan. Kondisi tersebut menunjukkan perlunya model pembelajaran yang mampu melibatkan siswa secara aktif dalam menemukan konsep untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis. Penelitian ini bertujuan untuk: (1) mengetahui manakah yang menghasilkan kemampuan berpikir kritis lebih baik antara siswa yang menggunakan model Guided Inquiry atau model pembelajaran langsung; (2) mengetahui manakah yang menghasilkan kemampuan berpikir kritis lebih baik antara siswa dengan motivasi belajar tinggi, sedang, atau rendah; dan (3) mengetahui ada atau tidaknya interaksi antara model pembelajaran (Guided Inquiry dan model pembelajaran langsung) dan motivasi belajar terhadap kemampuan berpikir kritis siswa. Penelitian ini merupakan eksperimen semu dengan desain faktorial 2×3. Populasi penelitian adalah seluruh siswa kelas XI SMA Negeri 3 Sukoharjo. Sampel dipilih dengan teknik cluster random sampling, diperoleh kelas XI F2B sebagai kelas eksperimen dan kelas XI F1B sebagai kelas kontrol. Data diperoleh melalui tes kemampuan berpikir kritis, angket motivasi belajar, dan dokumentasi. Analisis data menggunakan analisis variansi dua jalan sel tak sama yang dilanjutkan dengan uji komparasi ganda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) model Guided Inquiry menghasilkan kemampuan berpikir kritis lebih baik daripada model pembelajaran langsung; (2) siswa dengan motivasi belajar tinggi memiliki kemampuan berpikir kritis lebih baik daripada siswa dengan motivasi belajar sedang dan rendah, serta siswa dengan motivasi belajar sedang memiliki kemampuan berpikir kritis lebih baik daripada siswa dengan motivasi belajar rendah; dan (3) tidak terdapat interaksi antara model pembelajaran dan motivasi belajar terhadap kemampuan berpikir kritis siswa.