Regresi nonparametrik birespon dengan estimasi spline merupakan metode yang digunakan untuk menyelesaikan permasalahan jika bentuk kurva regresi tidak diketahui dan terdapat dua variabel respon. Spline merupakan potongan-potongan polinomial yang mempunyai sifat tersegmen kontinu. Pada penelitian ini dilakukan indentifikasi faktor yang mempengaruhi kualitas air Daerah Aliran Sungai (DAS) Mahakam, perameter kualitas air sungai yang digunakan dalam penelitian ini adalah BOD (Biochemical Oxygen Demand) dan COD (Chemical Oxygen Demand). BOD menggambarkan banyaknya oksigen yang dibutuhkan organisme untuk mengoksidasi bahan organik karbon yang terkandung sedangkan COD menggambarkan bahan organik mudah teurai maupun sukar terurai. Pengaruh BOD dan COD dalam air sungai dapat menurunkan jumlah oksigen dalam perairan karena terlalu banyak kandungan organik sehingga menyebabkan ekosistem perairan terganggu. Penelitian ini menggunakan 4 faktor yang diduga mempengaruhi BOD dan COD yaitu TSS (Total Suspended Solid), pH, suhu air, dan DO (Dissolved Oxygen). Dari hasil pembahasan dan analisis didapatkan bentuk estimasi model spline dalam regresi nonparametrik birespon terbaik dengan menggunakan kriterian nilai GCV (Generalized Cross Validation) minimum dan nilai r-square maksimum. Model spline terbaik adalah model spline dengan 3 titik knot dengan nilai GCV minimum sebesar 0,0612 dan nilai R-Square sebesar 94,9944%.