헬륨 풍선이 하늘로 떠오르는 근본적인 이유는 헬륨의 밀도가 주변 공기보다 훨씬 작아, 풍선을 위로 밀어 올리는 부력이 풍선 전체의 무게보다 크게 작용하기 때문입니다.
공기의 평균 분자량은 약 29g/mol이고, 헬륨의 분자량은 약 4g/mol이기 때문에 동일한 부피일 때 헬륨의 질량은 공기 질량의 약 7분의 1 수준으로 매우 가볍기 때문에 공기보다 현저히 밀도가 작습니다. 공기 중에 있는 물체는 자신이 차지하는 부피만큼의 공기 무게에 해당하는 부력이 작용하기 때문에 풍선의 부피만큼 주변 공기가 밀어 올리는 힘이 풍선 자체의 무게와 내부 헬륨의 무게가 누르는 힘보다 더 크기 때문에 위로 상승하게 되는 것입니다.
헬륨 풍선은 고도가 높아서 대기압이 낮아질수록 풍선 외부가 누르는 힘이 약해져 풍선 내부의 헬륨이 점차 팽창하다가 탄성 한계를 넘어서면 결국 하늘 높은 곳에서 터져 지상으로 낙하하게 됩니다.