Pembelajaran Biologi di SMAN 1 Ampek Angkek menunjukkan rendahnya kemampuan berpikir kritis peserta didik, terutama pada materi biologi di kelas X fase E.3. Salah satu faktor penyebabnya adalah kurang optimalnya penerapan model Problem Based Learning (PBL) karena keterbatasan waktu dan rendahnya motivasi peserta didik. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis peserta didik melalui penerapan model PBL. Penelitian ini menggunakan metode Penelitian Tindakan Kelas (PTK) yang dilakukan dalam dua siklus dengan tahapan perencanaan, pelaksanaan, pengamatan, dan refleksi. Subjek penelitian adalah 35 peserta didik fase E.3, terdiri dari 16 laki-laki dan 19 perempuan. Data dikumpulkan melalui observasi aktivitas belajar dan tes kemampuan berpikir kritis berupa soal essay yang disusun berdasarkan lima indikator kemampuan berpikir kritis menurut Ennis. Indikator yang digunakan untuk mengukur kemampuan berpikir kritis yaitu memberi penjelasan sederhana, membangun kemampuan dasar, kesimpulan, membuat penjelasan lebih lanjut, serta strategi dan taktik. Hasil penelitian menunjukkan adanya peningkatan signifikan pada aktivitas belajar peserta didik, seperti peningkatan partisipasi dalam mengajukan dan menjawab pertanyaan serta keberanian dalam melengkapi jawaban teman. Selain itu, skor kemampuan berpikir kritis pada semua indikator meningkat dan berada pada kategori tinggi setelah penerapan model PBL. Peningkatan ini menunjukkan bahwa PBL efektif dalam mendorong peserta didik untuk berpikir kreatif dan aktif dalam pembelajaran. Dengan demikian, model PBL direkomendasikan sebagai pendekatan pembelajaran yang mampu mengembangkan kemampuan berpikir kritis serta meningkatkan kualitas proses dan hasil belajar peserta didik di era pembelajaran abad ke-21.