Los rayos cósmicos que inciden sobre la Tierra no alcanzan el suelo, sino que se desintegran en su interacción con la atmósfera. Para estudiar los rayos cósmicos en su estado original es necesario, por tanto, ascender hasta las capas superiores de la atmósfera o, mejor, salir al espacio exterior. Para detectarlos se induce la interacción de las partículas de los rayos cósmicos con algún material de comportamiento conocido, y luego se estudian los productos resultantes del choque. Un método muy usado en el pasado consistía en registrar el proceso en emulsiones fotográficas. Hoy día se emplean dispositivos más sofisticados que suelen basarse en el destello que se produce cuando un rayo cósmico atraviesa el material que conforma el núcleo del detector. El estudio del destello permite deducir parámetros como la velocidad, energía y dirección del rayo cósmico. Desde el suelo también se pueden detectar los rayos cósmicos, aunque en este caso no de manera directa, sino a través del análisis de los fenómenos que se producen durante la desintegración del rayo cósmico en la atmósfera (radiación secundaria). Podríamos decir que en este caso el aire actúa como núcleo del detector, y los aparatos analizan los productos de la desintegración. Hay detectores de radiación Cherenkov (telescopios Cherenkov) que analizan el destello de luz ultravioleta que surge en la desintegración. Otros aparatos (matrices de detectores de centelleo) captan los electrones o incluso los muones generados en cascada cuando el rayo cósmico incide sobre el aire. Se deduce de este modo, de manera aproximada, la dirección de procedencia del rayo y su energía. Los detectores de rayos cósmicos basados en el suelo, aunque trabajen con radiación secundaria, permiten captar y estudiar más eventos y efectuar por tanto estadísticas significativas.
