Начиная с XVIII века, воздухоплаватели постоянно поднимались на большую высоту. Начиная с подъема Чарльза на 3 000 метров (10 000 футов) в 1783 году и заканчивая роковым подъемом капитана авиационного корпуса армии США Хоторна К. Грея на высоту 12 950 метров (42 470 футов) в 1927 году, максимальная высота была ограничена только потребностью пилота в кислороде. Не будучи уверенным в способности герметично закрыть самолет, американский пионер авиации Уайли Пост и другие специалисты сосредоточились на индивидуальных костюмах под давлением. Даже в 1937 году видные инженеры-авиаконструкторы публично осуждали концепцию создания герметичных кабин для самолетов.
Изобретение Пиккаром стратостата (см. выше «Воздушные шары достигают стратосферы») открыло новые высоты для исследований. Первые полеты в стратосферу были совершены для изучения космических лучей, которые поглощаются при входе в атмосферу Земли. Ранние высотные работы с пластиковыми воздушными шарами продолжили исследования космических лучей, отбор проб воздуха для обнаружения атомных взрывов, фотографические полеты над чужой местностью, астрономические наблюдения над возмущениями тропосферы и даже аэродинамические испытания свободно падающих полезных грузов. Воздушный шар — единственная стабильная платформа для любого типа наблюдений, расположенная выше дальности полета самолетов и ниже дальности полета орбитальных космических аппаратов. Это также единственный летательный аппарат, который не влияет на окружающую среду, и единственный аппарат, который может относительно неподвижно находиться на высоте, достижимой вертолетами.
Высотные пластиковые воздушные шары надуваются при запуске лишь частично, чтобы обеспечить расширение газа по мере подъема шара. Это расширение увеличивается примерно в десять раз на каждые 15 000 метров (50 000 футов) высоты. Когда воздушный шар находится на заданной высоте, оболочка принимает естественную форму — перевернутой капли с грузом, прикрепленным в нижней точке. Если бы воздушный шар находился под давлением и не нес никакой полезной нагрузки, оболочка была бы сферической. Существует целый ряд форм оболочек, которые зависят от соотношения веса полезной нагрузки к весу оболочки и внутреннего давления. Обычно внутреннее давление равно нулю, а вес оболочки составляет большой процент от общего веса аэростата. Это дает очень толстый шар с почти плоской вершиной. Угол наклона у основания может приближаться к 45 градусам.
Некоторые высотные аэростаты с большой грузоподъемностью изготавливаются из нейлона, ламинированного полиэфирной пленкой, но в большинстве исследовательских аэростатов используется очень тонкий полиэтилен. Толщина некоторых из этих полиэтиленовых пленок составляет менее десятой доли миллиметра. Для того чтобы нести полезную нагрузку, швы укрепляются несущей лентой.
В полете полезный груз обычно подвешивается на открытом вытяжном парашюте, соединенном в своей вершине с основанием воздушного шара. Парашют может быть выпущен с помощью радиоуправления. В момент выпуска эластичность парашюта почти мгновенно раскрывает его. В верхней части воздушного шара может использоваться радиоуправляемый газовый клапан. Излишки газа отводятся по воздуховодам, расположенным высоко на боку аэростата, а их отверстия находятся на уровне основания. Если воздуховод расположен достаточно высоко на аэростате, попадание наружного воздуха внутрь аэростата невозможно.
Загрязнение подъемного газа наружным воздухом приведет к снижению возможного потолка воздушного шара и, в случае водорода, создаст опасность пожара. Конструкция должна обеспечивать, чтобы сопротивление потоку в воздуховоде не создавало неблагоприятного противодавления, которое может привести к разрыву баллона. Необходимо учитывать диаметр воздуховода, его длину и возможные перегибы. В некоторых случаях вес самого воздуховода может потянуть его вниз настолько, что он заблокирует отверстие в баллоне. При такой конструкции воздуховода любой воздух, попавший в него при неправильном обращении во время надувания или при незначительных утечках в баллоне ниже основания подъемного газа, будет скапливаться в основании баллона и соответственно опускать потолок.
Естественная форма придает воздушному шару очень низкое напряжение кожи в статических условиях. На высоте воздушный шар очень устойчив и обычно не подвержен турбулентности или динамическим нагрузкам. На пути вверх воздушный шар надувается лишь частично и обладает большой гибкостью, позволяющей ему деформироваться, снимая любое напряжение.
Первый пилотируемый стратостат использовал сферическую алюминиевую кабину. В последующих использовались магниевые сплавы и крученый алюминий. Современные высотные кабины изготавливаются из различных композитных материалов. Внутреннее давление поддерживается за счет бортовых запасов жидкого кислорода и воздухоочистителей для удаления углекислого газа, влаги и других продуктов жизнедеятельности организма.
Было совершено несколько полетов вообще без кабины. Экипажи в открытых гондолах носят скафандры, аналогичные тем, что надевают астронавты.