为袭击美国本土，日本决定启动一项大胆计划，即制造装有爆炸装置的气球，漂洋过海攻击美国。远程气球炸弹的想法其实并不新鲜，早在1942年，日本研究人员就发现，冬季太平洋上9150米左右的高空，存在一股向东的强劲气流，可以让携带爆炸物的氢气球在3天内飘飞9000千米，抵达美国大陆。当时日军实力尚强，未能重视。现在穷途末路的日军决定实施这项计划。

想法看起来很诱人，但技术问题也很棘手。氢气球在白天太阳照射下会受热膨胀上升，而在黑暗的夜晚又会冷却收缩下降，这样就难以保证在相对固定的高度利用特定的气流飞行。最终，技术人员开发出一套控制机构来解决这一问题，这套机构主体由一个气压高度表、控制机构加上一些作为压载物的沙袋构成。如果气球高度低于9000米，该机构会自动启动爆炸螺栓，抛掉铸铝轮形架周围吊挂的压载沙袋，气球便会上升。为了保证轮形架的平衡，每次同时投放对称位置的两枚沙袋。如果气球高度超过11600米，高度表会启动氢气释放阀门，这样气球就会下降。

早日本人采用橡胶涂敷丝织品制造气球，后来改用效果更好的多层糯米纸。气球直径约10米，充满时可容纳540立方米氢气，可以将90千克的载荷送到11000米高空。气球吊舱通过19根吊索与球体相连，吊舱里装有气压高度计、释放机构、引信装置、32个压载沙袋、2枚燃烧弹和一枚15千克反人员杀伤弹。球体上还装有自毁炸弹。经过近70小时后，如无意外，气球将抵达北美，计时机构会启动燃烧弹并依次投放，接着人员杀伤弹也会投下，投下炸弹的同时，计时机构还会点燃一根19.5米长的缓燃导火索，82分钟后，导火索起爆一枚小炸弹，毁掉整个气球。这套机构由一个小型电池供电，通过慢速引信启动爆炸机构。每个气球仅球囊就需要600张糯米纸拼接制作，加上全套控制机构，造价大约为900美元，算是比较昂贵的装备。为了制造这种前所未有的秘密武器，日本动用了大量人力物力，许多电影院被拆去座位，成为临时的气球制造车间，一些大型相扑馆也被用来制造气球或储存原料。大量妇女和学生被动员起来，加入到制作气球炸弹的队伍中。

1944年11月3日，日本从本州东海岸释放了首批气球炸弹，其中一些气球飘扬过海陆续抵达北美洲，美国西北各州以及加拿大和墨西哥都曾发现它们的踪迹。从1944年11月到1945年4月，日本总计释放了超过9000枚气球，大部分由于各种原因坠入大洋，据估计有10%左右抵达北美，大多坠落在人迹罕至的地区，美国发现了约300枚，可能仍有一些未被发现。

选择冬季放飞气球炸弹虽然高空西风最强，但也限制了燃烧弹的破坏效果，因为冬季的北美森林通常为积雪所覆盖，十分潮湿难以燃烧。这也是气球炸弹没有在北美引发灾难性森林大火的重要原因。不管怎么样，日本人的气球还是接连不断地来到了美国本土——俄勒冈、堪萨斯、艾奥瓦、南达科他、爱达荷、内华达等州相继发现了这些神秘气球。战斗机也曾升空拦截，但效果不好，这些气球飞行高度太高且速度不慢，美军战机击落的气球总计也不到20个。

据说在1945年3月10日，一枚气球炸弹落到“曼哈顿工程”一所工厂附近，气球导致电线短路，核反应堆冷却泵停止工作，所幸备用电源立即恢复了电力供应，避免了更大的麻烦。尽管气球炸弹造成的破坏不大，但却足以让美国政府担忧。美国知道日本正在开发生化武器，如果这种气球炸弹携带的是生化武器，那么后果不堪设想。

1945年5月5日，一枚气球炸弹在俄勒冈州炸死了一名妇女和5名儿童，这也是二战期间美国大陆因敌方攻击导致死亡的唯一事例，图为事后美国在爆炸地点树立的纪念碑。

起初没人相信气球是从日本本土飞过来的，美国人以为气球是日本利用潜艇从美国西海岸释放的，还有一些人以为是在美籍日裔拘留地的日本人在搞鬼，但随后的详细调查彻底排除了这些可能性，剩下的可能只有一个，那便是日本人在从本土放飞这些气球炸弹。

检查结果也证明了这一点：一些坠落的气球被送到美国地质调查局进行分析，研究人员仔细检查了气球上的压载沙袋中沙子的矿物构成，结论是这些沙子不是来自美国海岸，也不是中太平洋，而是日本九州、四国和本州的5处海滨。在此后的航空侦察照片上，发现在这些地方的确存在白色圆形物体。美军随即对这些可疑地点实施了大规模轰炸，摧毁了许多施放气球炸弹的基地。

美军情报部门人员正在研究气球炸弹吊舱上的轮形架，其内部密布的导线通向周围72个爆炸螺栓，其中64个用于投放32个压载沙袋，其余8个用来投放炸弹和起爆自毁装置。