Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh implementasi pembelajaran hands-on dan virtual lab terhadap pemahaman konsep dan berpikir kritis siswa pada materi perpindahan kalor. Penelitian menggunakan metode kuasi experimental dengan desain pretest-postest control group design without randomization. Sampel penelitian yaitu 64 siswa kelas V di salah satu sekolah dasar negeri di Kota Bandung yang dipilih dengan teknik purposive sampling. Instrumen yang digunakan yaitu tes two-tier pemahaman konsep dan tes uraian berpikir kritis. Kelompok eksperimen menerapkan pembelajaran hands-on dan virtual lab, sedangkan kelompok kontrol menerapkan pembelajaran hands-on dan video. Hasil penelitian menunjukkan bahwa terdapat perbedaan peningkatan pemahaman konsep dan berpikir kritis yang signifikan antara kelas ekperimen dan kelas kontrol yang dilihat dari uji anova N-gain dengan sig.= 0,00 < α=0,05. Kelas eksperimen memiliki rata-rata N-gain pemahaman konsep 0,74 lebih tinggi dari kelas kontrol yaitu 0,60. Begitu pula pada kemampuan berpikir kritis, rata-rata N-gain kelas eksperimen sebesar 0,60 lebih besar dibandingkan kelas kontrol yaitu sebesar 0,44. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa pembelajaran hands-on dan virtual lab memberikan pengaruh yang lebih tinggi terhadap pemahaman konsep dan berpikir kritis siswa dibandingkan pembelajaran hands-on dan video.