Penelitian ini terkait dengan pengembangan modul ajar pencemaran lingkungan untuk memfasilitasi literasi siswa terhadap konsep pencemaran air. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik, serta menguji kelayakan dan keefektifan modul ajar untuk meningkatkan keterampilan berpikir tingkat tinggi siswa pada materi pencemaran lingkungan di SMA Negeri 1 Boyolali. Penelitian ini merupakan penelitian mixed-method dengan model R&D dan metode ADDIE. Teknik pengambilan sampel dilakukan dengan purposive sampling. Pengumpulan data primer dilakukan melalui observasi, wawancara, angket, dokumentasi, dan tes, sedangkan data sekunder diperoleh dengan mengidentifikasi bahan ajar, hasil riset, dan jurnal. Teknik uji validitas yang digunakan adalah triangulasi member check, expert judgement, serta data hasil tes diuji menggunakan uji rasch untuk mengetahui kemampuan awal peserta didik dan kelayakan instrumen penelitian. Analisis data dilakukan secara deskriptif untuk menggambarkan tingkat kelayakan modul ajar berdasarkan penilaian validator. Instrumen kelayakan dibuat dalam bentuk penilaian objektif yang bersifat summated rating scale dengan skala 4. Hasil penelitian menunjukkan bahwa modul ajar yang dikembangkan memiliki karakteristik mampu memberdayakan kemampuan peserta didik dalam meningkatkan keterampilan berpikir tingkat tinggi pada materi pencemaran lingkungan. Modul ajar juga menyajikan pengetahuan baru mengenai pengujian kualitas air, baku mutu perairan, peraturan perundang-undangan, serta kasus-kasus mengenai pencemaran air. Modul ajar berbasis riset yang dikembangkan pada materi pencemaran air dinyatakan layak dan efektif. Peningkatan keterampilan berpikir tingkat tinggi dapat dilihat dari hasil belajar pada pre-test dan post-test. Penilaian kelayakan dilihat dari hasil validasi modul ajar, materi, dan media dengan kriteria sangat layak. Penilaian keefektifan dilihat dari nilai n-gain sebesar 61,39% dengan kriteria efektif.