Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penerapan model pembelajaran STAD dengan kartu soal terhadap keterampilan berpikir kritis dan hasil belajar kognitif siswa materi ekosistem kelas X SMA. Desain penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah True Experimental Design dengan bentuk Pretest-Posttest Control Group Design. Populasi dalam penelitian ini seluruh siswa kelas X MIPA SMA Institut Indonesia Semarang. Teknik pengambilan sampel menggunakan simple random sampling, dengan menempatkan kelas X MIPA 5 sebagai eksperimen dan kelas X MIPA 6 sebagai kontrol. Hasil penelitian menunjukkan bahwa rata-rata keterampilan berpikir kritis siswa kelas eksperimen lebih tinggi (84,06) daripada kelas kontrol (73,44) dan telah dilakukan  uji t dengan taraf signifikan 5%,  >  yaitu 3,731 > 1,999. Rata-rata hasil belajar kognitif siswa kelas eksperimen lebih tinggi (83,09) daripada kelas kontrol (73,91) dan telah dilakukan  uji t dengan taraf signifikan 5%,  >  yaitu 3,276 > 1,999. Simpulan dari penelitian ini yaitu penerapan model pembelajaran STAD dengan kartu soal berpengaruh signifikan terhadap keterampilan berpikir kritis dan hasil belajar kognitif siswa pada materi ekosistem.

Kata kunci: STAD, Kartu Soal, Berpikir Kritis, Hasil Belajar Kognitif, Ekosistem