Цифровая трансформация образовательной системы актуализирует необходимость формирования у обучающихся компетенций XXI века посредством инновационных педагогических технологий, среди которых особое место занимает STEM-образование. В то же время сравнительная эффективность урочной и внеурочной форм реализации STEM-проектов в развитии ключевых компетенций школьников остается недостаточно обоснованной, что определяет актуальность настоящего исследования. Цель статьи заключается в сравнительном анализе эффективности урочной и внеурочной форм реализации STEM-проектов в процессе формирования ключевых компетенций обучающихся основной школы. Ведущим методом исследования выступает педагогический эксперимент, проведенный на выборке из 65 учащихся восьмых классов, разделенных на три группы: две экспериментальные и одну контрольную. Первая экспериментальная группа осваивала STEM-технологии в урочной форме на занятиях по географии. Вторая включалась во внеурочную проектно-исследовательскую деятельность. Контрольная группа обучалась по традиционной методике. Диагностика сформированности компетенций осуществлялась по методике А. В. Пашкевича, опирающейся на классификацию семи групп ключевых компетенций, выделенных А. В. Хуторским. Статистическая обработка данных выполнялась с использованием непараметрического U-критерия Манна – Уитни при уровне значимости p < 0,05. Полученные результаты продемонстрировали статистически значимое превосходство STEM-подхода над традиционными методами обучения: в первой экспериментальной группе интегральный показатель компетентности увеличился с 0,42 до 0,51, во второй – с 0,44 до 0,67, что отражает переход на продвинутый уровень, тогда как в контрольной группе зафиксированы минимальные значения. В экспериментальной группе (внеурочная деятельность) были реализованы инновационные STEM-проекты практической направленности (PharmaHops, Radiance, разработка мультимодального транспортного хаба и др.). Показано, что внеурочная форма реализации STEM-проектов обеспечивает более выраженную динамику развития ключевых компетенций по сравнению с урочной за счет большей свободы в выборе содержания и методов, отсутствия жестких временных рамок и возможностей полноценного междисциплинарного взаимодействия. Теоретическая значимость работы состоит в развитии компетентностного подхода и уточнении научных представлений об эффективности различных форм STEM-образования. Практическая значимость определяется разработкой научно обоснованных рекомендаций по оптимизации образовательного процесса через приоритетное развитие внеурочной STEM-деятельности, создание соответствующей материально-технической базы и повышение квалификации педагогов в области междисциплинарного обучения.