Pembelajaran STEM membekali siswa dengan kemampuan abad 21 (21st century skills). Pembelajaran STEM yang berkualitas mencakup integrasi Engineering Design Process (EDP) ke dalam konsep dasar sains dan matematika. Namun integrasi STEM dalam matematika dirasa kurang terlihat dibandingkkan sains. Tujuan penelitian ini adalah menganalisis konsep STEM yang ditunjukkan siswa SMA dalam pembuatan sketsa desain, menganalisis bagaimana siswa SMA menerapkan konsep STEM dalam proses pengembangan desain dan mengevaluasi bagaimana siswa SMA melakukan perbaikan desain. Penelitian ini menggunakan metode campuran kuantitatif dan kualitatif. Teknik pengumpulan data dengan metode dokumentasi yang berupa workbook siswa dan observasi yang berupa rekaman audio dan video dan catatan lapangan dan pengamatan di dalam kelas pada 28 siswa. Teknik analisis data menggunakan analisis deskriptif dan analisis tematik etnografi. Hasil penelitian menunjukkan dalam proses pembuatan sketsa desain 79,28% siswa SMA mewakili pemahaman konsep sains dan 82,44% pada sesi kedua serta 48,51% mewakili pemahaman konsep matematika. Rata-rata level sketsa desain siswa berada pada level 3 yaitu sebesar 48,14%. Dalam pengembangan desain siswa Sekolah Menengah Atas siswa memperhatikan gaya gesek yang terjadi pada roda, konsep aerodinamika, posisikan mousetrap, rata-rata panjang tuas 20 cm menggunakan tuas double, gulungan tali pada poros dan rata-rata besarnya sudut tuas 180 derajat. Dalam perbaikan desain (redesain) terjadi peningkatan level desain dari level 3 menjadi level 4 dan perbaikan desain rata-rata siswa SMA memperbaiki perubahan struktural mobil, memperbaiki gaya gesek pada roda dan memperbesar energi pada tuas dan gulungan tali.