Penelitian ini dilakukan untuk menginvestigasi proses kognitif dan metakognitif siswa yang memiliki tingkat kemampuan matematika yang tinggi dalam aktivitas pemecahan masalah dalam kelompok kecil. Dengan menggunakan studi kasus dan model pemecahan masalah yang dikembangkan oleh Artzt dan Armour-Thomas, penelitian ini mengungkap aktivitas pemecahan masalah dari tiga siswa SMP kelas 8 yang menempuh studi di salah satu sekolah menengah swasta di Kota Ankara, Turki. Dalam kelompok kecil, siswa menunjukkan aktivitas kognitif dan metakognitif yang selalu bergantian. Aktivitas metakognitif merupakan aktivitas yang paling menonjol dan memainkan peranan penting dalam proses menemukan penyelesaian dari masalah yang diberikan. Wawancara terhadap siswa juga dilakukan untuk menginvestigasi cara berpikir, kontribusi, dan kesadaran yang mempengaruhi interaksi dan aktifitas pemecahan masalah mereka. Kemampuan matematika siswa yang tinggi membuat interaksi dalam kelompok kecil menjadi lebih fleksibel. Penelitian ini menjadi dasar yang kuat untuk penelitian selanjutnya mengenai aktivitas pemecahan masalah matematika dalam kelompok kecil bagi siswa yang memiliki kemampuan matematika tingkat tinggi.