Juntament amb el seu germà Jacques Étienne Montgolfier (Vidalon-lès-Annonay 1745 — Serrières, Llenguadoc 1799), s’interessà pels problemes del vol i orientà les solucions cap a la construcció d’aparells més lleugers que l’aire. Jacques Étienne introduí a Franca la fabricació del paper vitel·la i, després d’alguns assaigs amb petits models, tots dos germans construïren un baló de 20 m3 que feren pujar mitjançant aire calent a la plaça d’Annonay el 5 de juny de 1783. Perfeccionaren progressivament llur invent, i el 21 de novembre de 1783 efectuaren a París la primera ascensió tripulada de la història. El 1783 foren nomenats corresponents de l’Académie des Sciences.