Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan desain pembelajaran IPA STEM-ESD Modelling Design Thinking untuk meningkatkan kemampuan scientific modelling dan explanation pada tema perubahan iklim. Penelitian ini difokuskan pada analisis karakteristik, kevalidan, efektivitas desain pembelajaran yang dihasilkan. Sampel penelitian adalah peserta didik SMP kelas 9 di Kota Surakarta, Jawa Tengah. Kemampuan scientific modelling adalah kemampuan menciptakan representasi dari suatu fenomena untuk menganalisis hubungan antara variabel dalam proses berpikir ilmiah. Sedangkan kemampuan scientific explanation adalah kemampuan untuk menjelaskan fenomena dengan menghubungkan prinsip-prinsip ilmiah dan bukti yang ada terhadap suatu fenomena. Metode yang digunakan adalah design based research, yang terdiri dari tiga studi utama: development studies, validation studies, dan implementation studies. Pada tahap development studies, dilakukan identifikasi dan analisis masalah. Tahap validation studies meliputi validasi konten, validasi konstruk, analisis konseptual, konstruksi item, serta evaluasi kuantitatif. Validitas konten dan face validity ditetapkan melalui Focus Group Discussion (FGD) yang terdiri dari tujuh ahli dalam Pendidikan STEM. Analisis validitas menggunakan metode Aiken’s V Kemudian dilakukan uji keterbacaan prototipe desain pembelajaran STEM-ESD MDT dengan tahapan pelatihan profesional development training ke guru dan uji keterbacaan kepada peserta didik dan pilot studi melibatkan total 311 peserta didik. Dalam tahap pilot studi digunakan analisis Rasch Model. Tahap implementation studies yaitu dilakukan melibatkan pelaksanaan desain pembelajaran yang telah tervalidasi dengan pengujian desain One-Group Pretest Posttest dan pengujian diperluas melalui desain Nonequivalent Control Group Pretest-Posttest pada 4 sekolah dengan 91 peserta didik kelas eksperimen dan 80 kelas kontrol. Analisis data dilakukan secara bertahap, dimulai dari uji validitas isi (Aiken’s V), uji validitas konstruk dengan Confirmatory Factor Analysis (CFA), kemudian uji perbedaan antar kelompok menggunakan uji nonparametric MANOVA dengan permutation test, serta perhitungan effect size untuk mengetahui pengaruh perlakuan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa desain pembelajaran STEM-ESD MDT yang dikembangkan dan diimplementasikan pada empat sekolah efektif dalam meningkatkan kemampuan scientific modelling dan explanation peserta didik pada materi perubahan iklim.