用橡胶或塑料等材料制成球皮，充以氢、氦等比空气轻的气体，携带仪器升空，进行高空气象观测的观测平台。它具有廉价无动力升高的特点。和地面不连接的气象气球叫做自由气球，用缆绳和地面连接的气球叫做系留气球。气球的制作材料和大小由它们的用途来确定（见表）。
在气象气球发展之初，曾应用了充以热气或氢气的纸质或纺织物的球皮。到19世纪末，具有良好伸张率的膨胀性橡胶气球制成，这样就增加了气球上升所能达到的高度，扩展了高空探测的范围。20世纪60年代大型非膨胀性的薄膜塑料气球在边界层探测、全球范围内定高的水平探测以及平流层（见大气）的探测试验方面得到日益广泛的应用。
探空气球? 为携带仪器上升进行高空气象要素测量，或为测定高空风而装备电子设备，或两者兼有的自由气球（见彩图）。为了在空中，特别是在大气较高层，使温度感应器不受太阳辐射的影响，除应用温度表防辐射罩外，还应使它充分通风，为此探空气球的起始上升速度须达 5～6米/秒。探空气球所能达到的最大高度，即球皮破裂时的临界高度，基本上取决于橡胶球皮的质量。在其他条件和升速均相同的情况下，球皮愈厚，则气球所能达到的高度愈高。日常使用的重量 1公斤左右的探空气球，85％以上可达30公里左右的高度。
系留气球? 用缆绳拴在地面绞车上的气象气球。随着水平风速的增大，系留气球升高的倾斜度加大，因此，大风天难以进行观测。为了使系留气球在气流中具有良好的稳定性，气球形状有时做成流线型（见彩图）。仪器设备或直接由气球携带，在升空过程中进行观测，或吊挂在缆绳的不同高度上进行观测。它可以在一段较长的时间(几小时至几十小时)内连续测量各选定高度上气象要素的变化，而不象探空气球只能一次性测量，且其测值只代表某大气层内的平均值。系留气球探测特别适用于大气污染监测和研究大气边界层等。
定高气球? 在大气中保持在等密度面上平稳地随气流飘移的自由气球。定高气球的寿命取决于气球的材料和气球工作的高度。为使球皮耐压性强和保气性好，常用聚乙烯薄膜和聚脂薄膜，或由多层塑料薄膜压制而成复合膜。复合膜球皮可以减小球内气体向外逸散的速率，经受少量的超压（球内压力超过环境大气压），延长气球的寿命。也可采用在气球下部开排气口的方法，使球皮保持零压状态（球内外气压相等），以防止气球的破裂。漂移在数公里高度的定高气球易受结冰和山脉影响而下沉破裂，而10～20公里高度以上的高空定高气球，可工作数月到 2年以上。气球的充气量由需达到的平衡高度以及气球和装备的总重量来确定。目前大型定高气球能携带300个下投探空仪，根据来自气象卫星的指令在指定地区下投，测量资料由定高气球收集后再通过卫星转发至地面站。这种与卫星结合的定高气球称为母子定高气球系统。定高气球在测量气团属性变化和大气电学特性等方面已广泛应用。70年代全球大气研究计划第一次全球试验中，曾大量应用定高气球在赤道和低纬度地区以及南半球上空进行环球水平大气探测，用的是名为戈斯特(GHOST)气球。
平流层气球? 升至平流层高度进行探测的大型气象气球（见彩图）。它采用现代定位跟踪遥控遥测等技术，不同于常规的无线电探空气球和定高气球。它所携带的仪器能够在指定地区下投回收。平流层气球可观测气象要素、大气成分、大气电、大气臭氧、太阳辐射，验证压-高公式（见大气运动的平衡状态）等。
平流层气球具有10～30万立方米或更大的容积，充氢气后可以负载100～150公斤的仪器。目前已具有负载达1000公斤以上的大型气球。平流层气球是一种能完成20～40公里或更高的高空探测的观测平台。施放气球一般要选择适合的季节和天气条件，结合各高度上的风向、风速情况加以控制，例如气球的水平位置利用高、低层风定位：低层为偏西风使气球东移，待升至平流层时又利用高层的偏东风向西移动，以便在完成全过程探测后尽可能在接近施放场地加以回收；气球的升降由地面遥控的排气阀和平衡器进行排气或抛压舱物来控制。
目前平流层气球探测主要用于科学试验研究，它不仅用于大气成分、臭氧、太阳常数、辐射量等探测，而且还用于高能物理、天文、空间物理等多学科的探测。
