Tantangan Pendidikan abad ke-21 menuntut pembelajaran yang mampu meningkatkan motivasi dan hasil belajar kognitif siswa. Model Project-Based Learning (PjBL) yang didukung pendekatan STEM menjadi salah satu alternatif inovatif, karena mengaitkan proyek nyata dengan konsep-konsep dalam sains, teknologi, rekayasa, dan matematika. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh model PjBL berbasis STEM terhadap motivasi dan hasil belajar kognitif siswa, serta hubungan di antara keduanya yang dilaksanakan di SMP Negeri 2 Surakarta pada September 2024 – Februari 2025 dengan pendekatan kuantitatif dan desain quasi experiment tipe pretest-posttest nonequivalent control group. Sampel ditentukan melalui cluster random sampling, dengan kelas VIII B sebagai eksperimen dan VIII D sebagai kontrol. Instrumen berupa tes uraian dan angket skala Likert. Hasil menunjukkan peningkatan skor motivasi siswa kelas eksperimen dari 64,77 menjadi 85,2, sedangkan kelas kontrol dari 65,1 menjadi 74,6. Nilai N gain hasil belajar kognitif kelas eksperimen sebesar 0,74 (kategori tinggi), sedangkan kelas kontrol 0,67 (kategori sedang). Uji korelasi menunjukkan tidak adanya hubungan signifikan antara motivasi dan hasil belajar kognitif. Namun, rata rata dan beberapa indikator motivasi menunjukkan peningkatan yang menonjol. Sehingga, motivasi bukan satu-satunya faktor yang menentukan hasil belajar kognitif. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa model PjBL-STEM berpengaruh positif terhadap peningkatan motivasi dan hasil belajar kognitif siswa pada materi cahaya dan alat optik.