Ý tưởng về quả cầu Dyson là kết quả của một thí nghiệm tưởng tượng của nhà vật lý và toán học Freeman Dyson, khi ông đặt ra giả thuyết rằng mọi nền văn minh công nghệ luôn liên tục gia tăng nhu cầu về năng lượng. Ông lập luận rằng nếu văn minh loài người mở rộng nhu cầu năng lượng đủ lâu trong tương lai xa, sẽ có một thời điểm nhu cầu năng lượng phải bằng toàn bộ năng lượng Mặt Trời có thể sản xuất. Ông đề xuất ý tưởng về một hệ thống các cấu trúc trên quỹ đạo (mà ông ban đầu gọi là lớp vỏ) được thiết kế để đón nhận và thu thập toàn bộ năng lượng của Mặt Trời. Đề xuất của Dyson không nói chi tiết về cách thức để xây dựng một hệ thống như vậy, nhưng chỉ tập trung vào các vấn đề thu thập năng lượng, dựa trên cơ sở rằng một cấu trúc như vậy có thể được nhận diện dựa vào quang phổ phát xạ khác thường của nó so với ngôi sao. Bài báo năm 1960 của ông "Tìm kiếm các Nguồn bức xạ sao Hồng ngoại Nhân tạo", được xuất bản trên tạp chí Science, được cho là bài báo đầu tiên chính thức hóa khái niệm về quả cầu Dyson.[2]

Tuy nhiên, Dyson không phải là người đầu tiên đưa ra ý tưởng này. Ông đã lấy cảm hứng từ tác phẩm tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Star Maker năm 1937,[4] của Olaf Stapledon, và cũng có thể là từ những nghiên cứu của J. D. Bernal.[5]