Banyaknya hambatan yang sering dihadapi peserta didik dalam mengerjakan soal matematika berbasis Higher Order Thingking Skill (HOTS) yang menyebabkan pembelajaran kurang optimal. Problem Based Learning (PBL) merupakan model pembelajaran yang dapat digunakan untuk meningkatkan proses berpikir peserta didik dalam menyelesaikan soal matematika. Untuk menyelesaikan permasalahan matematika salah satunya dapat menggunakan model polya. Penelitian ini bertujuan meningkatkan kemampuan peserta didik untuk menyelesaikan soal matematika tipe HOTS berdasarkan langkah polya dengan pembelajaran Problem Based Learning (PBL) di sebuah SMA Negeri di kabupaten Karanganyar, Jawa Tengah, Indonesia. Jenis penelitian ini adalah Penelitian Tindakan Kelas (PTK), dengan teknik pengumpulan data yang digunakan yaitu observasi, tes, catatan lapangan, dan dokumentasi. Triangulasi teknik dalam penelitian ini digunakan untuk mengetahui keabsahan data. Instrumen yang digunakan adalah tes kemampuan menyelesaikan soal matematika, lembar observasi, dan pedoman analisis data menggunakan indikator polya. Berdasarkan analisis data dapat disimpulkan bahwa kemampuan peserta didik dalam memecahkan permsalahan matematika meningkat melalui penerapan soal matematika tipe HOTS berdasarkan langah polya dengan model Problem Based Learning. Hal ini dapat dilihat dari ketercapaian indukator pada aspek langkah polya, yaitu: 1) Memahami masalah meningkat (30,56%), 2) Merencanakan penyelesaian meningkat (44,44%), 3) Menyelesaikan masalah sesuai rencana meningkat (13,89%), 4) Memeriksa kembali hasil penyelesaian meningkat (47,22%).