Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan kemampuan berpikir kritis siswa melalui penerapan pendekatan STEM dengan Problem Based Learning (PBL) pada materi stoikiometri. Kemampuan berpikir kritis siswa diamati berdasarkan aspek berpikir kritis menurut R.H. Ennis. Terdapat 5 aspek berpikir kritis yang diteliti pada penenlitian ini yaitu, memfokuskan pertanyaan, membangun keterampilan dasar, menyimpulkan, membuat penjelasan lanjut, serta mengatur strategi dan teknik. Penelitian ini dilaksanakan di SMAN 42 Jakarta pada semester genap tahun ajaran 2016/2017. Subjek penelitian adalah siswa kelas X MIA 3 berjumlah 36 siswa. Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah metode kualitatif. Teknik pengumpulan data melalui lembar observasi, reflektif jurnal, kuesioner berpikir kritis, wawancara, dan tes berpikir kritis. Teknik analisis data yang digunakan adalah analisis kualitatif dengan tahapan yaitu reduksi data, penyajian data, kesimpulan, dan verifikasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rata-rata kemampuan berpikir kritis siswa dari kelima aspek berpikir kritis yang diteliti pada penelitian ini tergolong baik dengan persentase sebesar 78,43%. Secara keseluruhan, indikator berpikir kritis yang paling berkembang dalam diri siswa yaitu indikator mempertimbangkan kredibilitas sumber yang tergolong sangat baik dengan persentase sebesar 83,66%. Berdasarkan hasil tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa penerapan pendekaran STEM berbasis PBL dapat mengembangkan kemampuan berpikir kritis siswa pada pembelajaran kimia topik stoikiometri.