弹道导弹因其飞行轨迹而得名。与低空贴地、沿地形迂回飞行的巡航导弹不同，弹道导弹沿弧形轨迹飞行，弹道最高点远超出地球大气层。它的飞行过程分为几个阶段：首先快速启动并加速，随后进入预设弹道；接着弹头与弹体分离，战斗部依靠惯性俯冲；最后再入大气层，以极高速度近乎垂直地扑向目标。
导弹的发射方式各有不同。部分导弹的一级发动机在接到发射指令后即刻启动。而许多井基导弹、筒装导弹采用冷发射（弹射式发射）：主发动机并不会在发射井或运输发射筒内点火。发射时，专用启动装置（火药蓄压器或燃气发生器）先将导弹弹出发射容器，待导弹升至安全高度后，一级主发动机才启动工作。这种设计能减轻发射装置的负荷，避免发动机尾焰对设备造成损毁。
导弹离开发射装置后，便进入主动飞行段。一级发动机推动导弹加速，近乎垂直地冲出大气层，进入预设弹道。多级导弹会依次逐级点火工作，每一级燃料耗尽后便与弹体分离，剩余部分继续飞行。导弹起飞爬升阶段最容易被探测：工作的发动机会产生明显的热信号，能被天基预警卫星清晰捕捉。但探测到发射，不代表就能成功拦截。主动飞行段持续时间极短，且此时导弹处于己方空域，敌方根本无法即时实施拦截。
各级助推器燃料耗尽并分离后，运载火箭的任务便已完成 —— 它已将搭载战斗部的弹头送至预定弹道，随后弹体自行脱离，仅弹头继续飞行。若导弹为单弹头设计，战斗部会独自飞向目标；若是分导式弹头，弹头母舱会启动工作，依次释放多个战斗部，并为每一枚战斗部设定独立飞行轨迹。
洲际弹道导弹的中段飞行完全处于大气层之外。太空的常规划分高度约为 100 千米，而弹道导弹的飞行弹道通常远高于这一高度，可达数百千米，部分弹道轨迹甚至超过一千千米。这并非轨道飞行，导弹不会像人造卫星一样环绕地球运行，而是沿着高弧形弹道飞行，随后分离出的战斗部开始下坠并重返大气层。
射程较短的弹道导弹飞行高度更低。例如俄罗斯 “伊斯坎德尔 - M” 战役战术导弹，不会采用洲际导弹的高抛弹道，而是沿低抛准弹道飞行。这种轨迹并非简单、可预判的抛物线，无法提前精准测算落点。它保留了弹道导弹弧形飞行的基本特征，但飞行高度更低、抵近目标速度更快，同时还具备机动变轨能力。这对反导系统是致命挑战：一旦目标不断改变飞行参数，拦截点就需要持续重新计算。
事实上，弹道导弹在全飞行阶段都给拦截制造了巨大难题：起飞阶段易被探测，但目标区域难以抵达；太空中段飞行时间相对充裕，可弹头会分离、释放诱饵、干扰弹、反射器，再加上脱落的箭体残骸，真假目标混杂，大幅增加识别难度。
到了末段，战斗部重返大气层，这也是反导系统面临的最大考验。此时目标仅剩体积小巧的战斗部，飞行速度极快，留给反导系统测算弹道、实施拦截的时间微乎其微。反导拦截弹并非只需靠近目标，而是要在精确计算的位置、千分之几秒的时间内完成撞击。测算出现微小偏差、指令传输延迟，或是战斗部进行机动变轨，都会直接导致拦截失败。
反导系统在导弹飞行的每个阶段都要面对不同难题，若是遭遇导弹齐射，各类问题还会叠加放大。也正因如此，即便是目前最先进的反导体系，想要稳定拦截现代弹道导弹，依旧是一项极其艰巨的任务。
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