本发明提供一种平流层双球串联飞行系统及其操作方法，涉及浮空飞行器技术领域，平流层双球串联飞行系统包括：超压气球、零压气球、气路连接组件以及吊舱，超压气球设置在零压气球的上方，超压气球和零压气球通过气路连接组件相互连接，并且超压气球能够通过气路连接组件与零压气球流体连通，吊舱连接至零压气球的底部。由此，本发明中的飞行系统能够充分利用超压气球耐压能力强和零压气球载荷能力强的优势，在平流层实现高载荷，以及能够根据使用需求灵活方便地调节高度位置。