Penelitian bertujuan untuk meningkatkan keterampilan proses sains siswa kelas X Imersi 2 SMA Negeri 2 Karanganyar tahun pelajaran 2013/2014 melalui implementasi model Problem-Based Learning. Penelitian merupakan penelitian tindakan kelas (Classroom Action Research) yang dilaksanakan dalam 2 siklus. Setiap siklus terdiri dari 4 tahap yaitu perencanaan, tindakan, observasi, dan refleksi. Data diperoleh melalui observasi dan tes. Teknik analisis data adalah dengan teknik analisis deskriptif secara kualitatif maupun kuantitatif. Validasi data dengan menggunakan metode triangulasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan pelaksanaan tindakan kelas melalui model Problem-Based Learning dapat meningkatkan keterampilan proses sains siswa dalam pembelajaran Biologi. Hasil ini didasarkan pada observasi dan hasil tes. Rata-rata presentase capaian aspek keterampilan proses sains berdasarkan observasi prasiklus adalah 53,70%, siklus pertama 67,71% (meningkat 14,01%) dan siklus terakhir 79,75% (meningkat 12,04%). Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa penerapan model Problem- Based Learning dapat meningkatkan keterampilan proses sains siswa kelas X Imersi 2 SMA Negeri 2 Karanganyar tahun pelajaran 2013/2014.