Abstrak: Literasi sains merupakan kemampuan menggunakan pengetahuan, mengidentifikasi isu-isu, menjelaskan fenomena dan menarik kesimpulan berdasarkan bukti-bukti dalam rangka memahami serta membuat keputusan berkenaan dengan alam. Oleh karena itu, berbagai upaya untuk meningkatkan kemampuan literasi sangat diperlukan. Tujuan penelitian ini  adalah untuk mengetahui tingkat kemampuan literasi dan hasil belajar kognitif siswa, mengetahui keterlaksanaan pembelajaran biologi menggunakan model pembelajaran berdasarkan masalah terhadap kemampuan literasi sains dan hasil belajar kognitif  siswa, dan mengetahui pengaruh model pembelajaran berdasarkan masalah terhadap respon siswa. Jenis penelitian ini adalah kuasi eksperimen dengan rancangan penelitian menggunakan Equivalent Control Group Design. Sampel penelitian menggunakan siswa kelas X IPA SMA Muhammadiyah 07 Surabaya, data yang terkumpul di analisis menggunakan gain score dan statistik uji-T. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kemampuan literasi sains meningkatkan sebesar 47% pada kelompok eksperimen , analisis data statistik uji-T data hasil belajar kognitif diperoleh nilai sig. sebesar 0,000 (p<α) dengan ketuntasan belajar secara klasikal pada kelas eksperimen sebesar 79,1%. Keterlaksanaan guru mengelola pembelajaran menggunakan model pembelajaran berdasarkan masalah pada kategori baik, dan respon siswa terhadap penerapan model pembelajaran berdasarkan masalah pada kelompok eksperimen sebesar 83,2% menunjukkan respon yang positif.