Egy tizenhat gyermekes családban született, bátyja és társa a kísérletekben, Joseph-Michel 1740. augusztus 26-án látta meg a napvilágot. Kezdetben szorgalmas kispolgári életet éltek, idejüket az apjuktól örökölt papírgyár vezetése töltötte ki, de Joseph már ekkor találékony újítónak bizonyult, s így a gyár felvirágzott. Az anyagi biztonság lehetővé tette számukra, hogy műkedvelő fizikusként kísérletekbe kezdjenek.
Főként a repülés foglalkoztatta őket: Joseph 1777-ben egy magas épület tetejéről a maga készítette ejtőernyővel ugrott le, és a városka izgatott lakosainak legnagyobb megdöbbenésére épségben ért földet. A legenda szerint a léggömb ötletét az adta, hogy egyszer a száradni kitett párnahuzat a tűzhelyből kicsapó meleg levegővel telt meg, és felemelkedett. Kevésbé romantikus, de valószínűbb feltételezés szerint a testvérek olvasták Joseph Pristley angol kémikus gázokkal végzett kísérleteiről szóló leírásait.
A testvérpár először a Cavendish által akkor felfedezett, a levegőnél könnyebb hidrogénnel próbálkozott. Mivel azonban az új gáz nagyon gyúlékonynak bizonyult, és még papírgyáruk termékei között sem találtak olyat, amely megbízhatóan tárolta volna, a meleg levegő felé fordultak. Először papírzsákokat tartottak a tűz fölé, és az egész a mennyezetig szállt fel. Később vékony textíliából, majd taftból készítették a zsákokat, amelyeket szalma és gyapjú égetésekor keletkező füsttel töltöttek meg.
Mivel már hallottak Benjamin Franklin kísérleteiről, úgy gondolták, hogy a füstnek elektromos tulajdonsága van, azért száll felfelé.
Első, még papírból készült léggömbjük kigyulladt, a második töltés közben leszakította magát tartóköteleiről és elszabadult. Mivel a város lakosai a kísérletek miatt már-már ördöngösségre gyanakodtak, a fivérek értesítették a Francia Akadémiát. Találmányukat 1783. június 5-én mutatták be először a nyilvánosság előtt: a mintegy tizenegy méter átmérőjű, vászonból és papírból készült, 245 kg súlyú, 800 köbméteres ballon hatalmas nézősereg és számos kiválóság jelenlétében Annonay vásárterén emelkedett a magasba. A gömböt előbb egy gödör fölé kötötték, amelyben szalma és fa égett, és nyolc embernek kellett tartania, amíg megtelt meleg levegővel. Adott jelre eleresztették, és az nyílsebesen majdnem másfél kilométer magasra szállt, majd tíz perccel később, amikor lehűlt benne a levegő, másfél kilométerrel odébb épségben földet ért. A testvérek ekkor még azt hitték, hogy a titok nyitja a füstben rejlik, ezért a levegő melegítésekor nedves fát és ócska cipőt is égettek a „minél sűrűbb a füst, annál megfelelőbb” elv alapján.