Ilmatiedustelu on tiedustelutiedon keräämistä aiheesta käyttämällä eri tyyppisiä ilma -aluksia, jotka tutkivat alueen maanpinnan yläpuolelta. Sekä miehitettyjä että miehittämättömiä lentokoneita käyttävät erilaiset yhteisöt ja yksilöt, jotka käyttävät ilmaa sotilasjärjestöt ja muut valtion virastot, tieteelliset järjestöt, meteorologit, geologit, arkkitehdit ja arkeologit, muutamia mainitakseni. Sovelluksia ovat maastojen kartoitus, strategisen tiedon kerääminen sotilaallista suunnittelua varten, geologisiin ominaisuuksiin ja toimintoihin liittyvien tietojen kerääminen, sääolosuhteiden ja -järjestelmien seuranta sekä ilmakuvien ottaminen kehityshankkeiden tueksi.
Keskeistä tarvittavien tietojen ja älykkyyden keräämisessä ilmatutkimuksessa on kameroiden käyttäminen oikeiden valokuvien ottamiseen, jotka voidaan myöhemmin analysoida ja tulkita. Yleensä valokuvia otetaan useista eri paikoista ja korkeuksista, joten tiedustelulentokone voi kerätä laajan valikoiman tietoja, joita analyytikot voivat verrata tulkittaessa tuloksia. Tällaisia valokuvia ovat vino, johon kuuluu valokuvien ottaminen kulmasta; pystysuora, johon kuuluu valokuvien napsauttaminen suoraan kohteen yli; ja orto, joita käytetään maantieteellisissä tietojärjestelmissä. Vaihtavia korkeuksia käytetään parhaan näköalapaikan kaappaamiseen – tai sotilaalliseen tiedusteluun – havaitsemisen välttämiseksi. Nämä kuvat on säädetty geometrisesti, jotta niitä voidaan käyttää tarkkojen karttojen tekemiseen.
Video on myös toinen osa ilmailututkimusta, joka auttaa automatisoimaan tiedonkeruuprosessia. Kehittyneet teknologiset sovellukset -video kaapataan ja lähetetään usein reaaliajassa maan tiedustelupalveluille, jotka voivat katsella kohteen toimintaa sen tapahtuessa. Yhdessä miehittämättömien lentokoneiden kanssa saavutetaan turvallisuustaso ja samalla voidaan seurata kohteen liikkeitä niiden tapahtuessa. Video, jota käytetään eniten sotilaallisessa tiedustelutoiminnassa, video on saamassa vauhtia muissa sovelluksissa, erityisesti alueiden kartoittamisessa tiettyjen etujen, kuten mahdollisten putkilinjojen tai viljelypeltojen, kartoittamiseksi. Reaaliaikaisen älykkyyden kerääminen kohdepaikkoihin voi auttaa suunnittelijoita määrittämään alueen käytön paikallisissa ihmis- ja eläinpopulaatioissa.
Ilmatutkimuksiin tyypillisesti käytettäviä lentokoneita ovat lentokoneet, miehittämättömät dronit, helikopterit, kuumailmapallot, blimpsit ja raketit. Eri tyyppisten lentokoneiden käyttöönotto riippuu kerättävien tietojen tyypistä ja tietojen keräämisen haasteista. Joissakin sotilaallisissa sovelluksissa esimerkiksi miehittämättömiä lentokoneita käytetään usein sellaisten kohteiden kartoittamiseen, joissa tiedossa oleva vihollinen on läsnä tai aktiivinen. Käyttämättä miehittämättömiä lentokoneita tässä tilanteessa tiedusteluryhmät voivat hyödyntää videota päästäkseen vihollisen läheisyyteen ja tarkkaillakseen reaaliaikaisia toimia. Vihollisen liikkeiden seuranta voi kuitenkin vaatia korkeita lentokoneita, etenkin jos todennäköisyys, että vihollinen havaitsee miehittämättömän dronin, on suuri.