Quando o ar dentro de um balão de ar quente é aquecido, ele se expande. Isso ocorre porque as moléculas de ar se movem mais rapidamente quando são aquecidas e, portanto, ocupam mais espaço. À medida que o ar se expande, torna-se menos denso que o ar mais frio fora do balão. Essa diferença de densidade cria uma força chamada flutuabilidade, que empurra o balão para cima.

A flutuabilidade é uma força exercida sobre um objeto que está parcial ou totalmente submerso em um fluido. A magnitude da força de empuxo é igual ao peso do fluido que é deslocado pelo objeto. No caso de um balão de ar quente, o fluido deslocado é o ar mais frio fora do balão.

Quanto maior for a diferença de densidade entre o ar dentro e fora do balão, maior será a força de empuxo. É por isso que os balões de ar quente sobem mais rapidamente quando a diferença de temperatura é maior.

Além da diferença de densidade, o formato de um balão de ar quente também contribui para sua capacidade de subir. O balão tem o formato de uma esfera, que é o formato mais aerodinâmico. Isso significa que o balão sofre menos arrasto à medida que se move no ar.

A combinação de flutuabilidade e design aerodinâmico permite que balões de ar quente subam ao céu.