Rendahnya kemampuan pemecahan masalah matematis menunjukkan perlunya pembelajaran yang inovatif dan berpusat pada peserta didik. Salah satu upaya yang dapat dilakukan adalah memanfaatkan media video pembelajaran berbasis Artificial Intelligence (AI) yang dipadukan dengan model Case-Based Learning (CBL) dan pendekatan deep learning untuk mendorong peserta didik memahami konsep, menganalisis permasalahan, dan menemukan solusi secara aktif. Penelitian ini bertujuan menganalisis peningkatan kemampuan pemecahan masalah matematis melalui penerapan media video pembelajaran berbasis AI dengan model CBL dan pendekatan deep learning serta mendeskripsikan keterlaksanaan pembelajaran. Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif dengan metode quasi-experimental dan desain Nonequivalent Pretest–Posttest Control Group Design. Sampel penelitian terdiri atas 36 peserta didik kelas X SMA Negeri 1 Peusangan Tahun Ajaran 2025/2026. Data dikumpulkan melalui tes kemampuan pemecahan masalah matematis dan lembar observasi, kemudian dianalisis menggunakan statistik deskriptif, Normalized Gain (N-Gain), dan Independent Samples t-test. Hasil penelitian menunjukkan terdapat perbedaan kemampuan pemecahan masalah matematis antara kelas eksperimen dan kontrol dengan nilai signifikansi 0,034 (< 0,05). Nilai N-Gain kelas eksperimen sebesar 0,6270 dan kontrol sebesar 0,3694, sedangkan keterlaksanaan pembelajaran berada pada kategori sangat baik. Hasil penelitian memberikan alternatif pembelajaran berbasis teknologi untuk mendukung keterlibatan dan kemampuan pemecahan masalah matematis peserta didik.