Kemampuan siswa dalam menjawab soal penalaran matematis dan kemandirian belajar siswa masih tergolong rendah. Penalaran matematis dan kemandirian belajar penting dimiliki siswa dalam belajar matematika. Seseorang dapat bernalar matematis ketika seseorang berusaha solusi pada masalah matematika yang diberikan secara logis. Oleh karena itu, diperlukan model pembelajaran pendekatan yang relevan untuk menumbuh kembangkan dapat dilakukan melalui kemampuan penalaran matematis dan kemandirian belajar siswa. Salah satu pendekatan pembelajaran tersebut adalah model pembelajaran Problem Based Learning (PBL). Tujuan penelitian ini untuk mengetahui: Perbedaan peningkatan kemampuan penalaran matematis dan kemandirian belajar siswa yang diajarkan dengan menggunakan PBL dengan siswa yang diajarkan dengan pembelajaran konvensional ditinjau dari (a) keseluruhan siswa, dan (b) level siswa (tinggi, sedang, rendah). Penelitian ini merupakan penelitian eksperimen dengan desain penelitian pretest-posttest control grup desain. Populasi penelitian ini adalah seluruh siswa kelas X SMA Negeri 1 Delima Kabupaten Pidie. Sedangkan sampel terdiri dari dua kelas yaitu kelas eksperimen (X-2) dan kelas kontrol (X-3) yang diambil secara random sampling. Instrument yang digunakan untuk memperoleh data penelitian berupa tes kemampuan penalaran matematis dan kemandirian belajar siswa. Untuk melihat adanya perbedaan kemampuan penalaran matematis dan kemandirian belajar siswa antar kelas model PBL dengan kelas konvensional digunakan uji-t. Hasil penelitian diperoleh bahwa peningkatan kemampuan penalaran matematis siswa yang memperoleh pembelajaran dengan pendekatan PBL lebih baik dari siswa yang memperoleh pembelajaran dengan pendekatan konvensional ditinjau dari keseluruhan dan kemampuan awal siswa (tinggi, sedang, rendah), kecuali untuk perbandingan kemampuan awal rendah di kelas eksperimen dan kemampuan awal rendah kelas control. Hasil penelitian yang menunjukkan bahwa peningkatan kemandirian belajar siswa yang memperoleh pembelajaran dengan pendekatan PBL lebih baik dari siswa yang memperoleh pembelajaran dengan pendekatan konvensional ditinjau dari keseluruhan dan kemampuan awal siswa (tinggi, sedang, rendah), secara kualitas terdapat perbedaan yang signifikan antara siswa yang pembelajarannya menggunakan model PBL dengan yang menggunakan pembelajaran konvensional