Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan keterampilan proses sains dan berpikir kritis mahasiswa pada Mata Kuliah Kimia Dasar melalui Implementasi Lesson Study. Sampel yang digunakan adalah satu kelas dengan melibatkan mahasiswa dari empat program studi yaitu program studi Pendidikan Kimia, Pendidikan Biologi, Pendidikan Fisika dan Pendidikan Matematika. Penelitian dilaksanakan sebanyak tiga siklus, dan setiap siklus terdiri dari tiga tahapan, yaitu tahap perencanaan (plan), Tahap pelaksanaan (do) dan tahap refleksi (see). Teknik pengumpulan data dilakukan dengan observasi, wawancara dan tes. Untuk mengukur keterampilan proses sains dilakukan dengan tiga tahapan yaitu keterampilan pokok uji, penyusunan pokok uji dan pemberian skor pokok uji keterampilan proses sains. Untuk mengukur keterampilan berpikir mahasiswa digunakan instrumen dengan melibatkan enam indikator, yaitu kemampuan bertanya, kemampuan menjawab pertanyaan, kemampuan menerapkan konsep dengan baik, kemampuan menganalisa, kemampuan memberikan penjelasan dan membuat kesimpulan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) metode demonstrasi melalui implementasi Lesson Study dapat meningkatkan keterampilan proses sains mahasiswa. Hal ini dapat dilihat dari hasil siklus I yaitu 62,52%, meningkat menjadi 70,66% pada siklus II dan meningkat menjadi 77,45% pada siklus III. (2) metode demonstrasi melalui implementasi Lesson Study dapat meningkatkan keterampilan berpikir kritis mahasiswa. Hal ini dapat dilihat dari hasil siklus I yaitu 56,74%, meningkat menjadi 63,78% pada siklus II dan meningkat menjadi 75,7% pada siklus III. Kata kunci: keterampilan proses sains, berpikir kritis, metode demonstrasi, lesson study