Tidak tercapainya hasil belajar peserta didik pada materi ekosistem disebakan oleh beberapa faktor, salah satunya adalah kurangnya kemampuan berpikir metakognitif peserta didik dalam mengatur dan mengolola proses pembelajaran. Salah satu cara untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan menerapkan model pembelajaran problem based learning. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui peningkatan hasil belajar dan metakognitif peserta didik melalui penerapan model pembelajaran problem based learning pada materi ekosistem. Penelitian ini menggunakan metode experimental research dengan menggunakan desain pretest-postest control group design. Populasi dalam penelitian ini terdiri dari 389 peserta didik yang tersebar pada sepuluh sekolah yang terakteditasi B di SMAN Kabupaten Bireuen. Sampel dalam penelitian ini terdiri dari 117 peserta didik yang tersebar pada tiga sekolah meliputi SMAN 1 Samalanga, SMAN 2 Samalanga dan SMAN 1 Peulimbang, pemilihannya dilakukan secara randam sampling. Teknik pengumpulan data metakognitif dilakukan dengan memberikan lembar angket kesadaran metakognitif, sedangkan hasil belajar dilakukan dengan memberikan pretes dan postes dalam bentuk tes objektif. Hasil analisis metakognitif peserta didik diperoleh Zhitung > Ztabel (7,6101 > 1,96). Analisis hasil belajar peserta didik diperoleh Zhitung > Ztabel (4,7481 > 1,96). Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan bahwa penerapan model pembelajaran problem based learning dapat meningkatkan hasil belajar dan metakognitif peserta didik pada materi ekosistem di SMAN Kabupaten Bireuen. Kata kunci : hasil belajar, metakognitif, problem based learning, SMAN Kabupaten Bireuen