探空气球是一种携带仪器上升并传回大气参数的气球 （特别是可以飞到高海拔的气球（英语：high-altitude balloon）） 。通常会测量气压、温度、湿度以及风向风速，而底下悬吊的消耗性的仪器则称为无线电探空仪。为了测得风向风速的资料，通常气球可以利用雷达进行追踪（英语：Direction finding）或导航系统（例如全球定位系统）加以定位。另外，有些未携带观测仪器的探空气球会被用来测量高空中的风向风速（测风气球）或是云层高度（云幂气球）。通常这种气球会利用经纬仪或是全站仪追踪测量器球释放后的方位及高度，再加以转换并计算风向风速或是云层高度。
第一个使用探空气球进行观测的是法国天气学家Léon Teisserenc de Bort（英语：Léon Teisserenc de Bort）。他从1896年在特拉普的天文台释放第一颗探空气球后，之后陆续释放了总共数百颗的气球。这些实验让他发现的对流层顶和平流层。1958年，科学家利用探空气球到达一定高度后便会停止上升的特性，借由携带的仪器对放射性的原子尘埃进行分析。
探空气球的材质通常是由具有高度弹性的乳胶或其他物质（例如氯丁橡胶）制成，并且会因内部充填的气体而带有浮力。而实际进行观测和传输资料的部分是由绳子垂吊在末端的仪器，称为“无线电探空仪”。一般而言，无线电探空仪会进行大气参数（如气温、气压、相对湿度等）的观测。但有些比较特殊的探空仪会用来测量某些特定的变数，像是臭氧浓度等等。
探空气球内部通常会灌满氢气或氦气，但因为氢气较氦气危险，所以即便氦气比氢气贵上许多，仍常以氦气填充。此外，气球的上升速率可以借由内部气体量来控制，通常能够上升到海拔约40公里（25英里）的高度。在高度逐渐增加的过程，气球会因为外部气压逐渐缩小而变大，甚至可能会达到原本体积的100倍。直到气球皮的张力不足以支撑内部气体造成的压力而爆炸，而悬挂在底下的无线电探空仪便会自由落下而无法再使用。超过探空气球能够观测的高度后，便会利用探空火箭进行更高层大气的观测。
全世界的高空气象站会利用探空气球进行高层大气的观测及分析当下的大气条件，并应用在人工预测和数值模式进行天气预报。全球大约有800个气象站每天规律地释放探空气球进行观测。根据世界气象组织的规定，每天施放2次探空气球，分别为世界协调时间0000UTC及1200UTC。在特别情形下，测站可以在非规定时间进行额外观测，以应变剧烈天气造成大气条件快速改变而使先前观测不具代表性或是满足研究需求。军事以及政府气象机构，如美国国家气象局便会规律的施放探空气球。而每个测站的观测数据会借由国际协议与各国分享。
除了正常的气象观测外，探空气球会被用来进行航空天气分析、空气污染监测、高空摄影或是进行研究。实际应用如利用测高气球进行云底高度的观测（云幂气球（英语：Ceiling balloon））。野外调查则常会利用移动载具，如车辆、船或是飞机进行施放。不过，通常飞机会进行的是投落送而非施放探空气球。近年来，探空气球不再局限于测量气象要素。随着科技及需求发展，许多公司（如Stardust Ashes）利用探空气球在高空中抛撒骨灰 。
中央气象局目前共有6个测站每天进行2次例行性观测作业，分别为板桥、花莲、马公、屏东、绿岛、东沙岛。大约在施放后3至4个小时会更新至网页上提供查询。
