Model pembelajaran STEM dan Project Based Learning (PJBL) telah diterapkan untuk mendukung pembelajaran abad ke-21. Namun, belum ada bukti empiris yang ditemukan untuk mengungkapkan efektivitas gabungan dari kedua model tersebut. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efektivitas model pembelajaran STEM, Project Based Learning (PJBL), dan ceramah dalam meningkatkan kemampuan berpikir kritis. Penelitian dilakukan di SMA Negeri 8 Kota Ternate, Provinsi Maluku Utara, dengan melibatkan 64 siswa yang terbagi dalam tiga kelas yang mempelajari materi pengelolaan sumber daya alam Indonesia. Strategi embedded concurrent yang menggabungkan pengumpulan data kuantitatif dan kualitatif digunakan. Data tes awal menunjukkan reliabilitas sebesar 0,76, dengan uji normalitas untuk model STEM sebesar 0,08, model PJBL sebesar 0,13, dan pembelajaran ceramah sebesar 0,14, semuanya menunjukkan data berdistribusi normal.Uji homogenitas menunjukkan data yang homogen dengan nilai 1,097. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan sintaks model pembelajaran STEM memperoleh rata nilai 85,17 dan PJBL memperoleh rata-rata nilai 86,10%, sangat baik meningkatkan kemampuan berpikir kritis. Data tes akhir, termasuk uji normalitas, ANOVA satu arah yang tidak sama, dan uji post-ANOVA, menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam keterampilan berpikir kritis. Model STEM dan model PJBL sama-sama efektif tanpa perbedaan yang signifikan di antara keduanya, sementara keduanya berbeda secara signifikan dari model pembelajaran ceramah. Hasil penelitian menunjukkan bahwa model STEM dan PJBL efektif dalam meningkatkan kemampuan berpikir kritis. Untuk mengatasi kekurangan metode ekspositori, pendidik harus mempertimbangkan untuk mengintegrasikan pendekatan STEM dan PJBL ke dalam praktik pengajaran mereka.