热气球的原理是热胀冷缩。热气球源于一个非常基本的科学原理，热空气会升到冷空气上方从本质上讲，热空气比冷空气轻，因为单位体积热空气的质量较小，1立方分米的空气大约重1克，若加热到37.8摄氏度，同样体积空气的重量会减少约0.25克。
因此，热气球中每立方分米空气可以升起0.25克的物体，但这远远不够的，这也是为什么热气球看起来如此巨大的原因，要升起454公斤的物体，需要大约1840立方米的热空气。要保持气球上升，您需要不断加热空气。热气球利用位于气囊开口下方的燃烧器实现这点。气球中的空气冷却时，驾驶员可以通过点燃燃烧器来重新加热空气。
热气球的唯一飞行动力是风。对于环球飞行的热气球来说，必须选择速度和方向都合适的高空气流，并随之运动，才能高效地完成飞行。就像作环球旅行时需要不停地换飞机一样，热气球需要搭乘不同的气流，换气流时飞行员所要做的就是调整高度，热气球的高度通常要达到十几千米。
影响热气球环球飞行的最大因素就是气候。每年的12月和1月，北半球高空流的流速达到一年中的峰值，最快可达每小时400公里，所以飞行者们通常选择冬季作环球尝试飞行。
