Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui peningkatan model pembelajaran berbasis masalah terhadap literasi sains dan berpikir kritis peserta didik. Jenis penelitian merupakan eksperimen semu (quasi experimen) dengan rancangan penelitian “Single Factor Independent Group Design”. Populasi penelitian sebanyak 110 peserta didik. Dari 110 peserta didik populasi tersebut, 50 peserta didik ditetapkan sebagai sampel, yang ditarik dengan teknik randomsampling. Pengumpulan data dalam penelitian ini menggunakan metode tes objektif. Data dianalisis dengan Multivariate Analysis of Variance (MANOVA). Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa: (1) terdapat perbedaan literasi sains peserta didik yang mengikuti model pembelajaran berbasis masalah dengan peserta didik yang mengikuti model pembelajaran ekspositori, (2) terdapat perbedaan berpikir kritis peserta didik antara peserta didik yang mengikuti model pembelajaran berbasis masalah dengan peserta didik yang mengikuti model pembelajaran ekspositori, (3) terdapat perbedaan secara simultan literasi sains dan berpikir kritis peserta didik antara peserta didik yang mengikuti model pembelajaran berbasis masalah dengan peserta didik yang mengikuti model pembelajaran ekspositori.