На протяжении многих десятилетий самым распространенным методом получения данных о высоких слоях атмосферы был метод шаров-пилотов, использовавшийся  с большим успехом. Большие эластичные оболочки, наполненные газом, поднимались за счет силы плавучести, действующей на газ, и переносились воздушными течениями. Движение шара-пилота тщательно прослеживается метеорологами. В дальнейшем к шару стали подвешивать металлический отражатель, позволявший наблюдать за полетом шара с помощью радиолокатора. Эти наблюдения дополнялись визуальным прослеживанием. Шары-пилоты обычно наполняли гелием и использовали для наблюдений на разных высотах. Для этого к ним подвешивали комплекты разных метеорологических приборов, дававших непрерывную запись значений многих физических характеристик воздуха на высотах. Другие шары-пилоты имели специальный регулировочный клапан, позволявший шару удерживаться на заранее заданной высоте, что давало метеорологам непрерывный ряд наблюдений за изменениями метеорологических величин на данной высоте. Некоторые шары-зонды оставались в воздухе по нескольку месяцев. Однако в большинстве случаев они применялись лишь для непродолжительных наблюдений. Наблюдения по приборам, поднимавшимся шарами-зондами, обычно проводились до высоты 8—9 км, хотя иногда эти приборы могли работать до высоты около 20 км.

С помощью шаров-зондов получали значения нескольких важных характеристик атмосферы. Скорость подъема шаров-зондов зависела от интенсивности восходящих движений в атмосфере. Скорость же горизонтального их полета и его высота могли быть использованы для определения других величин — например, высоты облаков.