气球及早期科学观气球是利用浮力原理升空的飞行器，中国古代的孔明灯是热气球的早期雏形，用松脂等燃料维持灯笼内空气的较高温度和较低密度，在重力场下的大气中就产生了浮力，被用于节庆活动和传递军事信号。1783年9月，作为造纸工匠的法国蒙特哥菲尔兄弟在凡尔赛宫广场向王室和公众演示了热气球飞行，两个月后又完成了人类首次载人飞行，由此法国被认为是气球的故乡。
之后用浮力大的氢气作为浮升气体、涂覆橡胶织物做气囊的气球、飞艇等发展起来，一度在军事、运输、科研中广泛应用，后因著名的齐柏林越洋客运飞艇因静电引起氢气燃爆失事而衰落；而热气球延续至今，成为有众多拥趸的运动和娱乐项目。气球早期与科学结缘的著名事例是奥地利物理学家赫斯用气球发现宇宙线的实验。20世纪初空气电离是研究热点之一，开始人们认为是由地面放射性元素导致的。
赫斯是物理学家，也是气球飞行爱好者，1911~1912年他携带沃尔夫型金箔验电器乘坐氢气球进行了7次飞行实验，即使以目前的眼光来看，这也是科学探险的壮举。他发现海拔越高空气电离越严重，5390米高空的大气电离率是地面的5倍，表明导致空气电离的源头“可能是来自太空的穿透辐射”，即宇宙辐射。1914年德国物理学家柯尔霍斯特将气球升至9300米，测得空气电离是地面的9倍，确认了赫斯的结果。
宇宙线的发现促进了粒子物理学的发展。
现代科学气球及科学观二战之后，由于高分子材料等技术进步，气球开始采用轻薄、耐低温和廉价的聚乙烯薄膜制造，球膜重量从每平米300克降低到约20克，这是一个巨大进步。简单分析可知，气球在升限高度的浮力和重力平衡，有：W=V∙(ρa-ρg)∙g，其中W为总重，V是气球体积，ρa和ρg分别是升限高度大气和浮升气体密度。气体密度与压力关系为ρ=μP/RT。
T为气温，R是通用气体常数，μ是气体克分子量。合并两式得到以气压表示的气球升限公式，该式表明了升限高度与气球体积和系统总重的确定关系，气球体积越大高度越高，大幅减轻气球自重，可携带相当重的载荷达到很高的高度。
现代气球大多采用零压式“自然形”设计，有纵向加强筋，充氢或氦（现多用氦气），体积几万到上百万立方米，载荷数百公斤至数吨，高度30~45千米或更高，上方剩余大气仅为地面的1%到0.1%，飘飞在大气层顶，成本相对低廉，实验灵活，准备周期短，广泛用于红外和X-γ射线天文，宇宙线和微波背景观测，大气和地球环境等科学研究以及空间仪器和空间技术试验。
零压气球在日落时因太阳辐射消失导致浮升气体降温，体积收缩而下降，需要通过抛压舱物减重恢复飞行高度，这就限制了其飞行持续时间，约2~3天。随着技术进步，科学气球发展为成熟的高空和空间研究工具。
气球科学观测的重要事例利用科学气球开展了大量天体物理、宇宙科学、大气和地球科学研究，领域广泛，成果丰硕。以下介绍一些代表性项目。BOOMERANG（回旋器），为美国宇宙微波背景探测气球实验。
宇宙微波背景的发现（1964）和COBE卫星结果（1989）有力支撑了宇宙大爆炸和暴涨理论，分获诺贝尔物理奖。但宇宙背景的微小不均匀性蕴藏着宇宙大爆炸后约37.6万光年高速膨胀期量子起伏（声波震荡）、背景光子与天体作用和宇宙结构的大量信息，需要比COBE卫星角分辨率高得多的设备进行测量。
1998年美国实施BOOMERANG任务，在南极用80万立方米气球进行了11天飞行，得到分辨率小于1度的局部宇宙微波背景图，清晰地描绘出微波背景的不均匀性，并测出宇宙相对密度Ω0在误差范围内为1。气球超导磁谱仪BESS，是美日合作项目，测量宇宙线中的低能反质子，寻找反氦核，研究早期宇宙的基本粒子过程、原始黑洞及暗物质证据等，起步于1990年，早于丁肇中先生的AMS计划。
探测器包括薄壁超导磁线圈，内漂移室、轨迹漂移室、飞行时间闪烁描迹仪等，1997年后采用气凝胶切伦科夫计数器取代漂移室。
反物质缺失是粒子物理学的重大课题，1955年在伯克利BeVatron加速器上首次发现了反质子（获1959年诺贝尔物理学奖），1979年美国科学家用气球磁谱仪在130~320兆电子伏能区测到28个宇宙线中的反质子，其反/正质子流强比远超宇宙线与星际气体作用模型，由此反质子的宇宙起源成为重要课题。
科学气球涉及领域广泛，方法灵活多样，与各国的空间研究和各种科学计划密切配合，发挥了探索引领，激励创新，凝练科学目标，发展实验方法、验证关键技术，培养锻炼队伍等重要作用。