Penelitian ini dilatarbelakangi oleh rendahnya kemampuan berpikir kritis matematis siswa Sekolah Menengah Pertama (SMP), khususnya di SMP Negeri 1 Taliwang Sumbawa Barat. Salah satu upaya yang dapat dilakukan untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan menerapkan model pembelajaran kooperatif, yaitu tipe Student Teams-Achievement Division (STAD) dan Numbered Heads Together (NHT). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis dan membandingkan peningkatan kemampuan berpikir kritis matematis antara siswa yang memperoleh pembelajaran dengan model STAD dan NHT. Penelitian ini merupakan penelitian eksperimen semu (guasi experimental design) dengan desain pretest-posttest dua kelompok. Populasi penelitian adalah seluruh siswa SMP Negeri 1 Taliwang, dengan sampel dua kelas yaitu kelas VIII-3 sebagai eksperimen I (STAD) dan kelas VIII-4 sebagai eksperimen II (NHT), masing-masing berjumlah 32 siswa. Instrumen penelitian berupa tes uraian yang telah memenuhi kriteria validitas dan reliabilitas. Analisis data dilakukan dengan statistik deskriptif dan inferensial menggunakan uji normalitas, homogenitas, uji t, dan ANOVA dua jalur. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) terdapat perbedaan peningkatan kemampuan berpikir kritis matematis antara siswa yang memperoleh pembelajaran STAD dan NHT; (2) secara umum, peningkatan kemampuan berpikir kritis matematis siswa yang menggunakan model NHT lebih tinggi dibandingkan STAD; (3) pada kelompok siswa berkemampuan awal tinggi, model STAD lebih unggul; (4) pada kelompok sedang dan rendah, model NHT lebih efektif; dan (5) secara keseluruhan, model NHT terbukti lebih efektif dalam meningkatkan kemampuan berpikir kritis matematis siswa. Dengan demikian, model pembelajaran kooperatif tipe NHT dirckomendasikan sebagai alternatif strategi pembelajaran matematika untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis siswa di tingkat SMP.