Le ballon libre est trop tributaire du vent pour ses déplacements. Très tôt, le général Jean-Baptiste-Marie Meusnier conçoit un ballon de forme ellipsoïdale, muni d'un gouvernail, mais à l'époque aucun moteur n'existe. Les inventeurs en sont réduits à essayer des systèmes à base de rames qui s'avèrent complètement inefficace.
La première réalisation effective est due à Henri Giffard qui utilise une petite machine à vapeur pour actionner l'hélice ; il décolle de Paris le 25 septembre 1852, et atterrit à Trappes après un trajet de 27 km. Mais le poids des moteurs empêche une utilisation plus facile.
En 1881, à l'Exposition d'électricité, Gaston et Albert Tissandier contribuent au premier modèle de ballon dirigeable mû par l'électricité (vol non habité en intérieur).
En 1883 et 1884, ils font deux vols dans un dirigeable électrique, mais, s'ils parviennent à le manœuvrer, ils ne parviennent pas à remonter le vent.
Le 9 août 1884, Charles Renard et Arthur Krebs font revenir leur dirigeable La France à leur point de départ, un petit voyage de huit kilomètres entre Meudon et Villacoublay. Il est propulsé par un moteur électrique pesant 44 kg au cheval et alimenté par piles. Il faudra attendre une vingtaine d'années et les exploits de Santos-Dumont pour rééditer la performance.
Mais, c'est l'invention du moteur à combustion interne qui va permettre au dirigeable de faire des progrès fulgurants. Progrès qui l'amèneront avec les Zeppelin à pouvoir traverser l'océan Atlantique, ou encore à Roald Amundsen et Umberto Nobile de survoler le pôle Nord. Malheureusement ce sont ces même moteurs qui vont permettre à l'aviation de supplanter l'aérostation.
Henri Giffard met en œuvre un ballon captif actionné par un treuil à vapeur pour l'exposition universelle de 1867 (pour l'anecdote, ce ballon finira en tente dans le camp prussien durant le siège de 1870), puis pour l'exposition universelle de 1878 avec un succès considérable : tout le gotha français et mondial fera des ascensions. En 1878, 900 personnes feront l'ascension en une seule journée au cours de 24 ascensions. Du 28 juillet au 4 novembre, 1 000 ascensions seront réalisées, emmenant 35 000 passagers.
Après la mort de Giffard, deux équipes reprendront le flambeau pour l'exposition universelle de 1889, l'un au Trocadéro, l'autre boulevard de Grenelle, ce qui explique l'existence de photographies de la Tour Eiffel vue d'en haut, avec la présence d'un autre ballon sur l'image.
Paris possédera 6 ballons captifs en 1900.
La Suisse entre dans la danse en 1896 pour l’exposition nationale suisse, avec A.Liwentaal et Eugène Baud.
Beaucoup de grandes villes dans le monde s'équiperont de ballons captifs à toutes sortes d'occasions.
Les accidents tragiques avant la Seconde Guerre mondiale de grands dirigeables gonflés à l'hydrogène vont mettre un terme à cette épopée, et définitivement ruiner l'utilisation commerciale du ballon comme moyen de transport. Restaient les utilisations sportives, scientifiques et militaires.
Le 28 mai 1931, le professeur Auguste Piccard et son assistant Paul Kipfel battent un record d'altitude : ils montent à 16 000 mètres, dans la stratosphère, grâce à l'utilisation d'une cabine pressurisée. L'objectif était l'étude du rayonnement cosmique.
Durant la Seconde Guerre mondiale, les Britanniques lâchèrent des dizaines de milliers de ballons vers l'Allemagne lors de l’Opération Outward. Ces derniers était équipés de bombes incendiaires ou laissaient traîner des filins en métal pour causer des court-circuits en touchant les lignes électriques. De novembre 1944 à avril 1945, les Japonais utilisèrent des ballons incendiaires dans le projet Fugo. Ceux-ci dérivaient à l'altitude du courant-jet, 9 à 10 km, pour atteindre l'Amérique. Les résultats ont été très minimes.
La première traversée de l'Atlantique dans un ballon à hélium, non dirigeable, est effectuée le 17 août 1978 par Ben Abruzzo, Maxie Anderson, et Larry Newman.
C'est seulement en 1999 que Bertrand Piccard et Brian Jones font le tour du monde sans escale en ballon mixte, en parcourant 46 759 km en un peu plus de 19 jours. Ils étaient partis de Suisse et atterrirent en Égypte à 500 km du Caire.
La société Aerophile SA détient le record du plus grand nombre de passagers élevés grâce au principe de plus léger que l'air avec 1 280 000 passagers depuis 1993.