Khinh khí cầu hoạt động dựa trên một nguyên lý khoa học rất giản dị: không khí nóng bay lên cao trong vùng không khí mát hơn. Không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh vì nó có khối lượng (mass) nhỏ hơn theo đơn vị thể tích. Một foot khối (cubic foot) không khí cân nặng khoảng 28 gram (gần 1 ounce). Nếu ta làm nóng khí đó lên 100 độ F, trọng lượng nó giảm đi 7 gram. Theo thí dụ này, mỗi cubic foot không khí chứa trong khí cầu có thể nhấc bổng được 7 gram. Con số này quá nhỏ, đó là lý do tại sao khinh khí cầu phải rất lớn: Muốn đưa lên không gian 1,000 pounds, chúng ta cần khoảng 65,000 cubic feet không khí nóng.
Muốn cho khí cầu lên cao, không khí bên trong phải được làm nóng lên. Khí cầu có những chiếc lò (burner) nằm phía dưới vỏ (envelope). Nếu không khí trong khí cầu nguội đi, người điều khiển đốt lò để không khí nóng lên.
Khí cầu ngày nay làm nóng không khí bằng propane, loại khí đốt ta dùng nướng thịt ngoài trời. Propane dưới dạng chất lỏng cô đặc chứa trong những bình nhẹ đặt dưới basket của khí cầu.
Vỏ khí cầu (envelope) được cấu tạo bằng các mảnh chéo (gore) dài bằng nylon. Những mảnh chéo này chạy từ đáy (base) của khí cầu lên đến đỉnh (crown) và do nhiều ô vải khác màu (panel) ghép lại để tăng cường độ bền. Nylon được dùng làm vỏ khí cầu vì nó nhẹ, nhưng bền chắc và độ tan chảy cao. Phần bên dưới vỏ gọi là skirt cũng làm bằng nylon nhưng được quét một lớp vật liệu chống cháy để ngăn không cho lửa táp vào làm cháy khí cầu.
Không khí nóng không thể thoát ra ngoài qua lỗ hổng phía dưới vỏ khí cầu vì lực nổi (buoyancy) luôn luôn đẩy nó lên. Nếu cứ tiếp tục đốt nhiên liệu, khí cầu sẽ bay lên nữa, nhưng cũng chỉ đến một giới hạn vì lúc đó không khí quá loãng nên lực nổi yếu đi không thể đẩy khí cầu lên được nữa.
Khí cầu dùng một chiếc wicker basket để có chỗ cho người đứng. Basket làm bằng vật liệu bền, tương đối nhẹ và mềm dẻo để khi hạ xuống đất hành khách không bị xóc vì sức va chạm.
Một chiếc nắp trên nóc khí cầu khi mở lên sẽ làm cho không khí nóng thoát ra. Người lái khí cầu điều khiển nắp này để hạ khí cầu xuống mặt đất.
Khí cầu ngày nay là phương tiện giải trí được nhiều người ưa thích, với lễ hội được tổ chức hàng năm tại nhiều miền trên khắp thế giới.
Khí cầu không người lái đã thịnh hành từ rất lâu ở Trung Quốc. Gia Cát Lượng thời Tam Quốc đã dùng một loại đèn làm tín hiệu chiến thuật – gọi là đèn trời hoặc Khổng Minh đăng
Ở Tây phương, chiếc khí cầu đầu tiên chở được hành khách là do hai anh em Joseph-Michel and Jacques-Etienne Montgolfier ở Pháp chế tạo và cất cánh lần đầu năm 1783.
Khí cầu có thể bay rất cao. Chiếm kỷ lục bay cao là một người Ấn Độ tên Vijaypat Singhania đã đạt tới cao độ 21,027 m (68,986 ft) năm 2005.
Năm 1991 hai người quốc tịch Anh là Per Lindstrand và Richard Branson đã bay từ Nhật tới miền bắc Canada bằng khí cầu. Đoạn đường này dài 7,671.91 km (4,767.10 mi), tốc độ bay là 245 mph (394 km/h), với khí cầu có thể tích lớn nhất từ trước tới nay là 74 ngàn mét khối (2.6 million cubic feet),
Người bay quanh trái đất bằng khí cầu là Steve Forest với kỷ lục 320 giờ 33 phút.