После первых полётов, носивших больше развлекательный характер, аэростаты стали применять с научными (для изучения атмосферы, географических исследований и др.) и военными целями. 30 июня 1804 в Петербурге русский учёный Я. Д. Захаров и бельгийский физик Э. Робертсон совершили полёт на аэростате с целью наблюдения различных физических явлений. Полёт продолжался 3 ч 45 мин , была достигнута высота 2550 м . Для торможения и мягкого приземления Захаров впервые применил канат с грузом на конце (гайдроп). В феврале 1805 участники русской кругосветной экспедиции под командованием адмирала И. Ф. Крузенштерна, находясь в г. Нагасаки (Япония), впервые для наблюдения воздушных течений отправили в полёт аэростат, наполненный тёплым воздухом. В 1849 во время борьбы Италии за независимость австрийские войска организовали с помощью небольших (объёмом 82 м³ ) свободных аэростатов бомбардировку Венеции зажигательными и разрывными бомбами. В 1859 в сражении при Сольферино французский воздухоплаватель Ф. Надар с привязного аэростата производил разведку расположения австрийских войск, сделав фотоснимки позиций противника. Привязные аэростаты для разведки и корректирования артиллерийского огня применялись также в США во время Гражданской войны 1861—65. Во франко-прусской войне 1871 посредством свободных аэростатов была налажена связь окружённого немцами Парижа с остальной Францией. За 4 мес на 65 аэростатах объёмом 1—2 тыс. м³ было переправлено 3 млн. писем и депеш общим весом 16 675 кг , а также 150 пассажиров. В 1871 парижские коммунары пользовались аэростатами для разбрасывания листовок революционного содержания.

  С момента возникновения В. до 70-х гг. 19 в. применялись только свободные и привязные аэростаты. Первый проект управляемого аэростата с воздушными винтами, вращаемыми вручную, был выдвинут в 1784 французским военным инженером Ж. Менье. В 40-х гг. 19 в. проекты управляемых аэростатов были предложены русским военным инженером И. И. Третесским, предусматривавшим, в частности, ракетный двигатель, и другими изобретателями. 24 сентября 1852 француз А. Жиффар совершил первый управляемый полёт со скоростью до 11 км/ч (в безветренную погоду) на аэростате с паровым двигателем. В 1869 в России была организована постоянная Комиссия по применению воздухоплавания к военным целям. С 1870 в Усть-Ижорском сапёрном лагере под Петербургом производились наблюдения с аэростатов за передвижениями войск и корректирование артиллерийской стрельбы по невидимым с земли целям. В 1875 русский учёный Д. И. Менделеев выдвинул идею стратостата и обосновал выбор конструкции отдельных его частей. В 1880 был основан воздухоплавательный отдел Русского технического общества. С 1 января 1880 в Петербурге начинает выходить журнал «Воздухоплаватель», издававшийся с перерывами до 1917. В 1885 в Петербурге была учреждена кадровая команда военных воздухоплавателей (в 1887 реорганизована в «Учебный кадровый воздухоплавательный парк»), которая приступила к учебно-тренировочным подъёмам и полётам на аэростатах. По инициативе русских учёных М. А. Рыкачёва, Д. И. Менделеева, М. М. Поморцева и других возобновилось применение В. для научных целей. В 1885 в Главной физической обсерватории, которой руководил академик М. А. Рыкачёв, были разработаны самопишущие метеоприборы, поднимавшиеся на шарах-зондах и воздушных змеях. 19 августа 1887 Менделеев на военном аэростате совершил полёт из г. Клина длительностью 3 ч 36 мин на высоте 3350 м для наблюдения солнечного затмения. Русские учёные использовали для научных целей и учебные полёты офицеров, снабжая аэростаты метеоприборами. Одним из организаторов этих полётов и многократным их участником был военный учёный профессор М. М. Поморцев. Ему удалось выработать методику наблюдений, усовершенствовать существовавшие аэронавигационные приборы и создать новые. Научное применение В. не ограничивалось областью метеорологии и аэрологии. Производились попытки применить свободные аэростаты (позднее дирижабли ) для исследования труднодоступных местностей. В 1897, вылетев на аэростате объёмом 5000 м³ с о. Шпицберген, шведский воздухоплаватель С. Андре с двумя спутниками пытался достичь с попутным ветром Северного полюса, но попытка была неудачной, воздухоплаватели погибли.

  В 1887 русский учёный К. Э. Циолковский предложил проект цельнометаллического бескаркасного дирижабля с изменением его объёма в полёте и с подогревом газа. Первый успешный полёт дирижабля со скоростью 22—25 км/ч был совершен французским воздухоплавателем А. Сантос-Дюмоном, который 13 ноября 1899 облетел вокруг Эйфелевой башни в Париже и благополучно вернулся к месту старта. В 1900 в Германии совершил первый полёт дирижабль Ф. Цеппелина. Это был дирижабль жёсткой системы, конструкция которого вскоре стала основной для дирижаблей, строившихся в Германии, Англии и США. Агрессивные устремления правящих кругов Германии и других империалистических держав побуждали развивать В. прежде всего в военных целях. В захватнической войне 1899—1902 против буров английские войска применяли сферические привязные аэростаты. В русско-японской войне 1904—05 и русские, и японские войска использовали привязные аэростаты для корректирования артиллерийского огня. С начала 20 в. получили распространение более совершенные змейковые аэростаты, созданные немцем А. Парзевалем в 1893. Такого типа аэростаты, имея сравнительно обтекаемую форму, вертикальный стабилизатор и боковые паруса, были устойчивы в воздухе и допускали наблюдение при скорости ветра до 60 км/ч . В итало-турецкой войне 1911—12 итальянские войска наряду с привязными змейковыми аэростатами впервые использовали для бомбометания и разведки 3 дирижабля полужёсткой системы. Накануне и во время 1-й мировой войны 1914—18 в наиболее развитых капиталистических странах на вооружении находились разные типы дирижаблей объёмом от 1500 м³ (английский мягкий дирижабль для обнаружения подводных лодок) до 68 тыс. м³ (немецкий жёсткий дирижабль для бомбардировки и дальней разведки). Скорость их полёта 80—130 км/ч , высота 3500—5000 м . Во время войны они эффективно участвовали в морской разведке и охране берегов, в борьбе с подводными лодками на местах стоянок морских судов и при сопровождении судов в море. Также весьма эффективны были и привязные змейковые аэростаты для разведки поля боя и корректирования артиллерийской стрельбы. Только Россия, Франция и Германия имели на фронтах около 550 таких аэростатов наблюдения объёмом 820—1050 м³ , поднимаемых на высоту 600—2000 м . К концу войны в Великобритании, Франции и Италии змейковые аэростаты объёмом 100—270 м³ стали подниматься как заграждения против самолётов на высоту 2—4 км .

  После победы Великой Октябрьской социалистической революции по инициативе В. И. Ленина в декабре 1917 началось формирование первых «социалистических воздухоплавательных отрядов» в гг. Петрограде, Москве, Саратове, Новгороде и др. В начале 1918 состоялся 1-й Всероссийский воздухоплавательный съезд, который наметил программу развития отечественного воздухоплавания. В первом советском научно-авиационном учреждении «Летучая лаборатория» (Москва), руководимом профессором Н. Е. Жуковским, в мае 1918 был создан аэростатный отдел. 10 августа 1918 при Реввоенсовете Республики создаётся Полевое управление авиации и воздухоплавания действующей армии (Авиадарм). Советские воздухоплаватели активно участвовали в годы Гражданской войны в боях под Царицыном, Камышином и др. Новым в боевом использовании привязных аэростатов был подъем их для разведки и корректирования артиллерийского огня с судов речных флотилий (на Волге и Днепре), а также с бронепоездов. Впервые аэростат был поднят 16 марта 1919 с бронепоезда «Черноморец», действовавшего на Южном фронте, 2-й воздухоплавательный отряд во взаимодействии с бронепоездом «Воля» за 2 недели ожесточённых боев произвёл 75 подъёмов аэростатов. Советские военные воздухоплаватели совершили на всех фронтах за годы Гражданской войны около 7 тыс. боевых подъёмов, проведя в воздухе более 10 тыс. ч .