我们日常生活中遇到的各种天气现象如云、雨、雪等都发生在离地面十几公里以下的大气层内。要想预知风云变化，不仅仅要知道地面观测的气温、气压等，而且还需要了解不同高度上乃至整个大气层的气象要素分布情况，施放气象探测气球就是为了达到后一目的而采用的手段。
气象探测气球下面一般都悬吊着一个小盒，这个小盒称为无线电探空仪，里面装有对温度、湿度、气压非常敏感的感应元件。它以每分钟300～400米的速度飘向高空，随着气球的不断升高，仪器中的各个感应元件不断地感应气球所经过的各层大气的温度、湿度和气压，经探空仪上的编码器编译成电码，通过小型的无线电发射机，把探测到的这些气象要素的数据，发回地面。地面接收机收到这些信号后通过解调译码器，将这些电信号翻译成实测的温度、湿度和气压值，再按照一定规则编成电报，发送给上一级气象台。
气象部门把进行高空气象观测的气球统称为气象气球，其中和地面不连接的气球叫自由气球，用缆绳和地面连接的气球叫系留气球，自由气球可以在一段较长的时间内测量各选定高度上的气象要素值。一般而言，自由气球都是圆环的，而系留气球的形状是飞艇形的。
气象观测气球一般包括探空气球、定高气球、平流层气球和测风气球等。