Proses pembelajaran matematika di kelas khususnya di sekolah dasar, harus dilakukan dengan metode yang menyenangkan agar siswa terlibat aktif dan dapat menumbuhkan mathematical thinking. Karena tingkat sekolah dasar adalah modal memperoleh ilmu untuk melanjutkan ketingkat yang lebih tinggi. Kemampuan mathematical thinking meliputi aspek specialization, generalization, conjecturing, abstraction, reasoning and proving. Tujuan dari penelitian ini untuk menerapkan problem based learning dalam meningkatkan mathematical thinking siswa sekolah dasar. Penelitian ini merupakan penelitian eksperimen semu. Penelitian ini menggunakan pendekatan kuantitatif. Desain penelitian yang digunakan adalah nonequivalent control group design., sampel dalam penelitian ini adalah siswa kelas IV sebanyak 20 orang. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perbedaan pencapaian kemampuan mathematical thinking yang signifikan antara siswa dengan menerapkan model pembelajaran problem based learning dan yang dengan menerapkan pembelajaran konvensional. Perbedaan capaian kemampuan yang dibangun oleh empat indikator yakni specializing, generalizing, conjecturing and convincing antara siswa yang memperoleh model problem based learning dan model konvensional hanya terjadi pada siswa dengan kemampuan awal kategori sedang, dengan demikian model problem based learning efektif dalam meningkatkan mathematical thinking siswa sekolah dasar.