När luften inuti en luftballong värms upp expanderar den. Detta beror på att luftmolekylerna rör sig snabbare när de värms upp, och därför tar de upp mer plats. När luften expanderar blir den mindre tät än den kallare luften utanför ballongen. Denna skillnad i densitet skapar en kraft som kallas flytkraft, som trycker ballongen uppåt.

Flytkraft är en kraft som utövas på ett föremål som är helt eller delvis nedsänkt i en vätska. Storleken på flytkraften är lika med vikten av vätskan som förskjuts av föremålet. I fallet med en varmluftsballong är den undanträngda vätskan den kallare luften utanför ballongen.

Ju större skillnaden är i densitet mellan luften inuti och utanför ballongen, desto större blir flytkraften. Det är därför luftballonger stiger snabbare när temperaturskillnaden är större.

Förutom skillnaden i densitet bidrar även formen på en luftballong till dess förmåga att resa sig. Ballongen är formad som en sfär, vilket är den mest aerodynamiska formen. Detta innebär att ballongen upplever mindre motstånd när den rör sig genom luften.

Kombinationen av flytkraft och aerodynamisk design gör att varmluftsballonger kan stiga upp i himlen.