Kemampuan pemecahan masalah matematis merupakan salah satu kompetensi penting yang harus dikuasai murid dalam pembelajaran matematika. Namun, murid kelas XI SMA Negeri 2 Malang menunjukkan kondisi yang belum optimal, ditandai dengan sikap pasif dan rendahnya keterlibatan aktif selama pembelajaran berlangsung. Penelitian ini bertujuan untuk mendeskripsikan pelaksanaan pembelajaran berkerangka Lesson Study dengan model Problem Based Learning berbasis tahapan Polya pada materi Persamaan Regresi Linear, sekaligus menganalisis kemampuan pemecahan masalah matematis murid pada dua pertemuan pembelajaran. Penelitian ini menggunakan pendekatan kualitatif deskriptif dengan subjek penelitian sebanyak 36 murid kelas XI SMA Negeri 2 Malang. Data dikumpulkan melalui tiga teknik, yaitu pengerjaan Lembar Kerja Peserta Didik, observasi, dan refleksi kolaboratif dalam kerangka Lesson Study yang terdiri atas tahap Plan, Do, dan See. Selanjutnya, data dianalisis secara deskriptif kualitatif melalui empat langkah, yaitu pengorganisasian data, penelaahan mendalam, analisis hubungan antarpermasalahan, dan penarikan kesimpulan. Hasil penelitian menunjukkan adanya peningkatan aktivitas murid dari delapan puluh persen pada pertemuan pertama menjadi sembilan puluh dua koma lima persen pada pertemuan kedua. Kemampuan pemecahan masalah berdasarkan tahapan Polya juga meningkat, terutama pada indikator memeriksa kembali, merencanakan strategi, dan melaksanakan rencana. Dengan demikian, penerapan model Problem Based Learning berbasis tahapan Polya melalui kerangka Lesson Study terbukti efektif dalam meningkatkan kemampuan pemecahan masalah matematis murid pada materi Persamaan Regresi Linear.