Model pembelajaran yang dianjurkan dalam Kurikulum 2013 adalah model pembelajaran PjBL, namun pada penerapannya belum banyak digunakan. Selain itu, kemampuan proses design thinking masih belum banyak dimiliki oleh peserta didik SMA. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kelayakan dan keefektifan perangkat pembelajaran PjBL materi momentum dan impuls yang dikembangkan untuk meningkatkan kemampuan proses design thinking di SMA. Metode penelitian yang digunakan adalah Research and Development dengan model 4D yang terdiri dari tahap define, design, develop, dan disseminate. Uji independent t-test digunakan untuk mengetahui signifikansi perbedaan kemampuan proses design thinking pada kelas eksperimen dan kelas kontrol. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perangkat pembelajaran PjBL materi momentum dan impuls yang telah dikembangkan layak dan efektif digunakan untuk meningkatkan kemampuan proses design thinking peserta didik di SMA.