Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan: (1) kemampuan berpikir kritis siswa kelas X MIA 3 pada materi stoikiometri melalui penerapan model pembelajaran Problem Solving berbantuan metode Peer Tutoring di SMA Batik 2 Surakarta tahun pelajaran 2015/2016 dan; (2) prestasi belajar siswa kelas X MIA 3 pada materi stoikiometri melalui penerapan model pembelajaran Problem Solving berbantuan metode Peer Tutoring di SMA Batik 2 Surakarta tahun pelajaran 2015/2016. Penelitian ini merupakan penelitian tindakan kelas yang terdiri dari dua siklus. Setiap siklusnya terdapat empat tahapan, yaitu perencanaan, pelaksanaan tindakan, pengamatan, dan refleksi. Subjek penelitian ini adalah siswa kelas X MIA 3 SMA Batik 2 Surakarta tahun pelajaran 2015/2016. Data yang diperoleh berupa kemampuan berpikir kritis dan prestasi belajar (kompetensi pengetahuan, sikap, dan keterampilan). Sumber data adalah guru dan siswa. Teknik pengumpulan data adalah dengan tes, dan nontes, selanjutnya data dianalisis secara deskriptif kualitatif. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) Penerapan model pembelajaran Problem Solving berbantuan metode Peer Tutoring dapat meningkatkan kemampuan berpikir kritis dan prestasi belajar pada materi stoikiometri untuk siswa kelas X MIA 3 SMA Batik 2 Surakarta. Siswa yang memiliki kemampuan berpikir kritis dengan kategori tinggi dan sangat tinggi pada siklus I sebesar 84,62%, sedangkan pada siklus II sebesar 92,31%; (2) Penerapan model pembelajaran Problem Solving berbantuan metode Peer Tutoring dapat meningkatkan prestasi belajar pada kompetensi pengetahuan, capaian ketuntasan pada siklus I sebesar 46,15% dan pada siklus II meningkat menjadi 76,92%. Pada kompetensi sikap diperoleh ketercapaian sebesar 100% siswa bersikap baik dan sangat baik. Pada kompetensi keterampilan, diperoleh ketercapaian 97,44% siswa tuntas.