Neste trabalho estabelecemos relações entre a teoria do pensamento matemático e Modelagem Matemática. O pensamento matemático pode ser, teoricamente, dividido em pensamento matemático elementar e pensamento matemático avançado. A atividade de Modelagem Matemática envolve um conjunto de ações que requerem dos alunos diferentes processos de pensamento. Para observar estes processos descrevemos uma atividade de Modelagem Matemática desenvolvida por um grupo de alunos e elencamos características de seu pensamento matemático durante o desenvolvimento da atividade. A análise que apresentamos descreve considerações acerca do que a atividade de Modelagem Matemática proporcionou aos alunos no sentido do desenvolvimento do pensamento matemático.